УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ ДУГОГАСЯЩЕГО РЕАКТОРА
DEVICE FOR AUTOMATIC TUNING OF ARC-QUENCHING REACTOR

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для автоматической настройки компенсации емкостных токов замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью.
Известны устройства автоматической настройки дугогасящего реактора, содержащие измерительный орган на основе амплитудного или фазного детектора напряжения или тока нулевой последовательности, взаимодействующий с блоком управления индуктивностью дугогасящего реактора (ДГР) [1, 2]. В этих устройствах настройка компенсации сводится к установлению максимальной амплитуды напряжения естественного или искусственного смещения нейтрали в нормальном режиме работы сети либо к установлению минимального угла относительно опорного вектора. Зона нечувствительности измерительного органа задается с помощью уставок срабатывания.
Эти устройства работоспособны в ограниченном диапазоне изменения параметров регулируемого контура. Они функционируют лишь в окрестности точки равновесия, соответствующей резонансу регулируемого контура, когда имеют место наиболее благоприятные условия для формирования информационной координаты. При большой расстройке или низкой добротности регулируемого контура из-за низкого уровня и сильного зашумления контрольного сигнала возможна полная потеря управляемости. По этой причине рассмотренные устройства оказываются неработоспособными в сетях с комбинированным режимом заземления нейтрали, когда параллельно дугогасящему реактору включен высокоомный резистор.
Другой недостаток определяется трудностями обеспечения асимптотической устойчивости следящей системы с явно нелинейным звеном привода в управляющем контуре, проявляющимся в многократном переключении привода при выходе в точку равновесия. Это приводит к ускоренному износу электромеханической системы, что недопустимо по условиям эксплуатации ДГР.
Известно устройство автоматической настройки на основе двух измерительных органов, формирующих характеристические величины, пропорциональные падениям напряжения на индуктивности и емкости, создаваемым введенным в контур нулевой последовательности (КНП) сети модулируемым источником тока [3]. В таком устройстве настройка компенсации сводится к установлению минимальной разности указанных характеристических величин. Применение модулированного источника тока в силовой цепи регулируемого контура дает возможность отстроиться от нестабильного вектора несимметрии и обеспечить работоспособность в зоне больших расстроек.
В упомянутом выше устройстве [3] расширение функциональных возможностей достигается за счет применения вспомогательного энергоемкого и достаточно сложного оборудования, которым представляется модулируемый источника тока. Этот недостаток усугубляется в случае применения устройства в сетях с комбинированным режимом заземления нейтрали, характеризующихся пониженной добротностью КНП сети, поскольку установленная мощность источника тока оказывается соизмеримой с мощностью установленного регулируемого объекта. Другими недостатками являются сложная структура двухканальной измерительной системы и повышенная чувствительность к несогласованным параметрам измерительных каналов. По этим причинам данное устройство имеет ограниченное применение.
Целью предлагаемого изобретения являются повышение точности настройки в широком диапазоне регулирования и расширение области применения.
Указанная цель достигается тем, что в устройство автоматической настройки дугогасящего реактора, содержащее измерительный орган на основе детектора амплитуды или фазы напряжения или тока нулевой последовательности с регулируемыми уставками срабатывания, задающими зону нечувствительности измерительного органа, и блок управления индуктивностью дугогасящего реактора, в контур регулирования введен второй измерительный орган на основе детектора частоты свободных колебаний, связанный с первым измерительным органом и блоком управления индуктивностью дугогасящего реактора.
Во втором варианте устройства второй измерительный орган содержит записывающий модуль, регистрирующий осциллограммы нестационарного процесса, вычислительный модуль, выделяющий данные свободных колебаний и определяющий собственную частоту и степень настройки регулируемого контура, и модуль сравнения с уставками срабатывания, задающими зону нечувствительности второго измерительного органа.
В третьем варианте устройства второй измерительный орган связан с первым измерительным органом и блоком управления индуктивностью дугогасящего реактора через логическое устройство.
В четвертом варианте устройства введен формирователь импульсов искусственного возмущения регулируемого контура, связанный со вторым измерительным органом.
В пятом варианте устройства формирователь импульсов искусственного возмущения связан со вторым измерительным органом через упомянутое логическое устройство.
В шестом варианте устройства формирователь импульсов искусственного возмущения подключен к одной из обмоток дугогасящего реактора.
В седьмом варианте устройства формирователь импульсов искусственного возмущения подключен к нейтрали электрической сети.
В восьмом варианте устройства формирователь импульсов искусственного возмущения подключен по крайней мере к одной из фаз электрической сети.
В предложенном техническом решении измерительная система реализована по структурной схеме «мастер-помощник» с использованием двух измерительных органов, различающихся процедурой обработки контрольного сигнала. В данной системе «помощником» является первый измерительный орган, который может быть реализован по известной схеме амплитудного или фазового детектора. Здесь его функция сведена к регистрации событий в регулируемом контуре, которые, как правило, сопровождаются нестационарными процессами. Функциями измерения степени настройки контура и формирования регулирующего сигнала наделен второй измерительный орган («мастер»), реализованный по оригинальной схеме. Он производит обработку записанных данных во временной области, выделяя из них данные свободной составляющей переходного процесса, и вычисляет частоту собственных колебаний, которая непосредственно определяет степень настройки регулируемого контура. Устройство предусматривает работу совместно с маломощным источником импульса искусственного возмущения.
Рассмотренная измерительная система оказывается нечувствительной ко всем видам небалансов сети и обладает повышенной точностью настройки во всем диапазоне изменения индуктивности ДГР. Высокое быстродействие второго измерительного органа позволяет обеспечить контроль степени расстройки во время движения плунжера и производить настройку практически однократным переключением привода ДГР.
Данный способ может эффективно эксплуатироваться в сетях с пониженной добротностью КНП, в частности в сетях с комбинированным режимом заземления, где системы компенсации на основе экстремального и фазового методов регулирования принципиально неработоспособны.
На чертеже приведена схема одного из вариантов устройства автоматической настройки ДГР. К электрической сети, содержащей коммутируемые ответвления 1 и 2 с соответствующими емкостями фаз относительно земли, через нейтралеобразующий трансформатор 3 подключен плунжерный ДГР 4 с трансформатором тока 5 в цепи силовой обмотки реактора. Напряжение обратной связи снимается со вторичной обмотки трансформатора тока 5 или с обмоток измерительного трансформатора напряжения 6, включенных по схеме разомкнутый треугольник, и подается на входы первого 7 и второго 8 измерительных органов. Логика работы измерительных органов 7 и 8 задается логическим устройством 9, оно же определяет алгоритм взаимодействия второго измерительного органа 8 с блоком 10 управления индуктивностью ДГР. К сигнальной обмотке ДГР 4 подключен формирователь 11 импульсов искусственного возмущения, связанный со вторым измерительным органом 8 непосредственно или через логическое устройство 9.
Первый измерительный орган 7 содержит модуль 12, преобразующий входное напряжение в характеристическую величину по абсолютному значению или фазе либо по обоим признакам одновременно, которая затем сравнивается с уставками срабатывания, записанными в модуле уставок 13. Один из входов модуля уставок 13 соединен с выходом модуля 12, а второй связан с логическим устройством 9, по сигналу которого в модуле 13 производится обновление данных уставок, подстраиваемых к текущим параметрам вектора несимметрии. Характеристическая величина по фазе формируется относительно вектора опорного напряжения, снимаемого с одной из фазных обмоток измерительного трансформатора 6.
Второй измерительный орган 8 содержит модуль 14, записывающий входные данные и фиксирующий осциллограмму нестационарного процесса. Записанные данные поступают в вычислительный модуль 15, в котором производится обработка их во временной области, заключающаяся в совмещении данных, соответствующих переходному процессу с данными установившегося процесса, вычисление разностного сигнала, определяющего данные свободной составляющей переходного процесса, и расчет собственной частоты и степени настройки регулируемого контура. Последняя сравнивается с уставками срабатывания модуля 16, определяющими зону нечувствительности второго измерительного органа.
Устройство автоматической настройки работает следующим образом. В нормальном режиме работы сети, когда ДГР 4 находится вблизи точки равновесия, соответствующей резонансной настройке, состояние КНП сети контролируется первым измерительным органом 7. Второй измерительный орган 8 в это время не функционирует. Отсутствие сигнала на выходе измерительного органа 7 свидетельствует о том, что параметры вектора несимметрии, а следовательно, и настройка сети находятся в пределах зоны нечувствительности, определяемой заданными значениями уставок модуля 13. При срабатывании измерительного органа 7, например, в случае коммутации ответвлений 1 или 2, вызвавшей изменение емкости сети относительно земли, либо из-за возникновения небаланса в сети, обусловливающего уход параметров вектора несимметрии за пределы зоны нечувствительности, активизируется второй измерительный орган 8. По сигналу логического устройства 9 в работу вводятся измерительный орган 8 и формирователь 11, создающий в контуре КНП сети импульс искусственного возмущения. Модуль 14 производит запись осциллограммы входного напряжения с привязкой к моменту подачи возмущающего импульса. Записанные данные передаются в вычислительный модуль 15, в котором они разделяются на данные, соответствующие переходному процессу, и данные, соответствующие установившемуся процессу, а затем вычисляется разностный сигнал, который отображает только свободную составляющую переходного процесса. По данным разностного сигнала определяется частота и декремент затухания свободных колебаний и рассчитываются собственная частота и степень настройки регулируемого контура.
В том случае, если второй измерительный орган 8 не зафиксировал нарушение условий настройки, т.е. собственная частота и степень настройки регулируемого контура не вышли за пределы зоны нечувствительности, то логическое устройство 9 вырабатывает сигнал управления модулем уставок 13, в котором обновляются уставки срабатывания, скорректированные под изменившиеся параметры вектора несимметрии. После этого измерительный орган 7 переводится в режим непрерывного слежения. Указанная процедура корректировки данных уставок позволяет адаптироваться к нестабильному вектору несимметрии и поддерживать высокую чувствительность измерительной системы.
В том случае, если измерительный орган 8 фиксирует превышение допустимой степени настройки, то устройство переводится в режим настройки индуктивности ДГР. По сигналу срабатывания второго измерительного органа 8 логическое устройство 9 устанавливает потенциальный сигнал на входе блока 10 управления приводом ДГР и формирует циклический режим работы формирователя 11 импульсов возмущения и измерительного органа 8. Последний обеспечивает информацией о соответствии или несоответствии допустимой степени настройки регулируемого контура в ходе движения плунжера ДГР. Длительность цикла измерения в режиме настройки задается из условия асимптотического выхода устройства на заданный режим компенсации с минимальной кратностью переключений привода. Минимальная длительность измерительного цикла, определяемая условиями надежного распознавания свободной составляющей переходного процесса в регулируемом контуре, может составлять 0,2…0,5 с.
С момента фиксирования измерительным органом 8 факта соответствия допустимой степени расстройки режим настройки прерывается. После чего по сигналу логического устройства 9 производится упомянутая выше корректировка данных в модуле 13 уставок срабатывания под изменившиеся параметры вектора несимметрии и перевод измерительного органа 7 в режим слежения.
Отметим, что предложенное устройство способно функционировать и при отсутствии формирователя импульсов искусственного возмущения. В этом случае необходимо предусматривать более продолжительный интервал записи осциллограммы входного напряжения, включая и предысторию момента срабатывания измерительного органа 7. Искусственное возмущение предпочтительно, поскольку при действии импульса строго определенной формы имеют место более распознаваемый нестационарный процесс и наиболее достоверные расчетные данные.
Искусственное возмущение может производиться кратковременным подключением к одной из обмоток реактора источника напряжения или тока либо кратковременным шунтированием обмотки реактора. Очевидно, любая коммутация на линии или нейтрали сети, в том числе и искусственная, вызывающая нестационарный процесс, может распознаваться измерительной системой и использоваться для расчета собственной частоты и расстройки контура. Возможны варианты кратковременного подключения к нейтрали или ко всем трем фазам батареи конденсаторов определенной емкостью. В этом случае информационный базис расширяется и становится возможной количественная оценка емкостных и индуктивных параметров регулируемого контура.
При пониженной добротности КНП сети измерительный орган 7 не может полноценно контролировать состояние регулируемого контура. Поэтому при длительном несрабатывании первого измерительного органа, обусловленного, например, значительным снижением добротности регулируемого контура или неисправностями в цепи первого измерительного органа 7, необходимо предусматривать внеочередной режим измерения вторым измерительным органом. С этой целью в логическом устройстве 9 должен быть предусмотрен таймер, запускающий через определенные интервалы времени измерительный орган 8. При этом надежность системы автоматической настройки существенно повышается. Поскольку для распознания нестационарного процесса достаточен импульс искусственного возмущения длительностью в пределах единицы-десятки миллисекунд, то перевод измерительной системы на упомянутый циклический режим не вызовет сколь-либо заметного роста установленной мощности формирователя импульсов.
Предложенное устройство автоматической настройки позволяет достаточно строго контролировать собственную частоту и степень настройки сети во всем диапазоне регулирования ДГР и устанавливать с высокой точностью требуемый режим настройки.
Этим оно выгодно отличается от известных устройств. К тому же данное устройство настройки способно функционировать при пониженных добротностях регулируемого контура до 2…5, характерных для сетей с комбинированным режимом заземления нейтрали, что существенно расширяет область его применения.
Предложенное устройство автоматической настройки дугогасящего реактора является новым и ранее неизвестным. В отличие от известных аналогов оно обладает более высокими эксплуатационными характеристиками и расширенной областью применения.
Источники информации
1. Черников А.А. Компенсация емкостных токов в сетях с заземленной нейтралью. М.: Энергия, 1974. - С.83-84.
2. Обабков В.К. Совершенствование фазового способа автоматического поддержания условий компенсации емкостных токов в кабельных сетях 6-35 кВ // Электричество, 1989, №1.
3. А.с. 1576980 (Россия). Гумин М.И. Устройство автоматической настройки дугогасящего реактора. Опубл. БИ 25, 07.07.1990.