УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ НЕЙТРАЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ, ЗАЗЕМЛЁННОЙ ЧЕРЕЗ ДУГОГАСЯЩИЙ РЕАКТОР

Полезная модель относится к защите электрических линий от аварий, а именно к автоматической компенсации емкостных токов замыкания на землю в сетях 6-10 кВ с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор с регулируемым магнитным зазором с вторичными обмотками сигнальной и управления, а также в сетях с комбинированным заземлением нейтрали с аналогичным дугогасящим реактором, при этом полезная модель может быть использована для создания кратковременного искусственного смещения нейтрали путем кратковременного введения тока возбуждения нейтрали в контур нулевой последовательности сети для автоматической настройки в резонанс индуктивности дугогасящего реактора с емкостью распределительной сети фазовым методом.
При проектировании устройств для защиты высоковольтных линий электропередач от однофазных замыканий на землю используют соединенный последовательно с нейтралью сети дугогасящий реактор, который настраивают в резонанс с контуром нулевой последовательности сети во время отсутствии однофазного замыкания на землю. Наиболее точным и универсальным является фазовый метод настройки, который включает создание искусственного смещения нейтрали, измерение фазового угла напряжения на нейтрали 3Uo, сравнение его с фазой эталонного опорного напряжения, в качестве которой обычно выбирают фазу линейного напряжения, и изменение индуктивности дугогасящего реактора, например, перемещением плунжера, в соответствии с величиной и знаком расстройки до получения резонанса.
Однако, в соответствии с «Правилами технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации…», распределительные электрические сети имеют такие параметры, как допустимый для данной сети максимальный кратковременный уровень смещения нейтрали (до двух часов)
и допустимый длительный максимальный уровень смещения нейтрали, который меньше в два раза допустимого кратковременного максимального уровня (Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации / Министерство топлива и энергетики РФ, РАО «ЕЭС России», М.: СПО ОГРЭС, 1996, с.с. 280-287, далее ПТЭ).
Превышение напряжения смещения нейтрали допустимого значения и смещение нейтрали сверх допустимого времени приводит к большой несимметрии фазных напряжений и повышению напряжения на отдельных фазах, что неблагоприятно сказывается на изоляции и кроме того создает большие помехи в работе линий связи, расположенных вблизи линий электропередачи (Ф.Л. Коган «Пособие для изучения правил эксплуатации электрических станций и сетей», с. 282).
В штатном режиме работы сети всегда присутствует смещение нейтрали, обусловленное естественной несимметрией сети из-за различного расположения проводов на опорах, неравномерного распределения по фазам конденсаторов для защиты вращающихся машин, конденсаторов связи и прочей работы технологического оборудования. При этом, при наличии дугогасящего реактора, настроенного в резонанс с емкостной составляющей сети, результирующее напряжение смещения нейтрали существенно превышает естественное напряжение смещения сети (Ф.Л. Коган «Пособие для изучения правил эксплуатации электрических станций и сетей», с. 282), что может отражаться на качестве сети и делает нежелательным наличие постоянно действующего в сети искусственного смещения нейтрали. С другой стороны: для точной настройки дугогасящего реактора фазовым методом искусственное смещение нейтрали должно быть таким, при котором можно достоверно контролировать ток и напряжение нулевой последовательности.
В результате, при использовании в устройствах для защиты высоковольтных линий электропередач от однофазных замыканий на землю фазового метода настройки дугогасящего реактора в резонанс с контуром нулевой последовательности сети возникает задача формирования в сети напряжения смещения нейтрали без нарушения электрических режимов работы сети.
Известно устройство для регулирования индуктивности, содержащее соединенные последовательно дроссельные катушки с различными индуктивными сопротивлениями, переключатели, подключенные параллельно к соответствующим дроссельным катушкам, и датчик избирательной настройки, гальванически соединенный с переключателями (СССР, авторское свидетельство №752733, Н05Р 13/06, H01F 29/02, H01F 21/12, 30.07.80). Устройство может быть использовано для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор, для чего его подключают к регулировочным отводам дугогасящей катушки, и позволяет осуществлять быстродействующее избирательное регулирование индуктивности под током, поддерживая резонансную настройку компенсации емкостных токов замыкания на землю в сетях, как при преднамеренных (плановых) отключениях или включениях линии без замыкания на землю, так и при поисковых автоматических отключениях или включениях при наличии в сети замыкания на землю.
Недостаток известного устройства состоит в том, что с его помощью формируют в сети постоянно действующее напряжение смещения нейтрали, что нежелательно, так как может отразиться на качестве сети.
Наиболее близким к предлагаемому является источник возбуждения нейтрали «ИВН 02» для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор, предприятия ООО Научно-производственный центр «Мирономика», г. Екатеринбург (mironomika@mail.ru). Устройство позволяет выполнять фазовый метод настройки плунжерного дугогасящего реактора в резонанс с емкостью сети. Известное устройство содержит питающий трансформатор 220 В 50 Гц, одновременно выполняющий функцию гальванический развязки; коммутатор обмоток трансформатора, управляемый внешним сигналом, который подключает к полной или к половине вторичной обмотки трансформатора соответственно первую или вторую схемы управления и задержки; формирователь выходного сигнала, представляющий собой блок конденсаторов, разделенный на группы. Устройством управляют вручную. Батарея конденсаторов общей емкостью 30 мкФ разбита на пять групп. Коммутацию групп осуществляют вручную, переключателем «Регулировка тока». Выбор для подключения к реактору группы конденсаторов определяется емкостным током сети. После подключения обмотки трансформатора к соответствующей схеме управления и задержки, напряжение поступает на выбранную группу конденсаторов, на выходе которой формируется сигнал для возбуждения нейтрали, который поступает в обмотку управления дугогасящего реактора, подключенного к известному устройству. Отключение устройства происходит по внешнему сигналу в случае возникновения в контролируемой сети однофазного замыкания на землю.
Недостаток известного устройства состоит в следующем. Известное устройство позволяет формировать постоянно действующее искусственное смещение нейтрали вплоть до возникновения однофазного замыкания на землю, т.е. продолжительное время, что нежелательно с точки зрения сохранения качества сети. В то же время известно, что настройку реактора в резонанс выполняют неоднократно, повторяя ее через определенные промежутки времени, до возникновения однофазного замыкания на землю. Отсюда следует, что искусственное смещение нейтрали требуется только во время настройки реактора, что исключает необходимость в постоянно действующем в сети искусственном смещении нейтрали. При этом в известном устройстве величина выходного сигнала, поступающего на реактор, изменяется дискретно переключением вручную и устанавливается один раз при подключении устройства к конкретной сети. В результате величина искусственного смещения нейтрали носит усредненный характер для некоего диапазона значений емкостей сети, что снижает точность настройки дугогасящего реактора.
Заявляемая полезная модель решает задачу создания устройства для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности создания в сети кратковременного смещения нейтрали на время, необходимое для настройки дугогасящего реактора в резонанс с емкостью сети, в возможности варьирования величиной смещения сети в зависимости от изменения емкости сети, в возможности организации настройки дугогасящего реактора в автоматическом режиме, в повышении точности настройки дугогасящего реактора.
Сущность заявляемой полезной модели состоит в том, что в устройстве для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор, включающем блок формирования сигнала возбуждения нейтрали и питающий трансформатор напряжением 220 В с частотой 50 Гц, новым является то, что дополнительно введен модуль управления, который выполнен программируемым, вход напряжения питания которого подключен к вторичной обмотке питающего трансформатора, и блок управляемых коммутаторов, управляемые входы которого подключены к управляющим выходам модуля управления, а выходы подключены к соответствующим входам блока формирования сигнала возбуждения нейтрали, который содержит n параллельных RC - цепей, при этом блок управляемых коммутаторов содержит по числу параллельных RC - цепей коммутаторы, каждый из которых представляет собой твердотельное реле, входы управления которых подключены к соответствующим управляемым входам блока коммутаторов, входы переключающих цепей соединены между собой и подключены к входу блока коммутаторов, который подключен к вторичной обмотке питающего трансформатора напряжения, выходы переключающих цепей коммутаторов подключены к соответствующим выходам блока управляемых коммутаторов, при этом в блоке формирования сигнала возбуждения нейтрали первые выводы параллельных RC - цепей подключены к соответствующим входам блока, а вторые выводы параллельных RC - цепей соединены между собой и подключены к выходу сигнала возбуждения нейтрали, который подключен к входу контроля параметров сигнала возбуждения нейтрали в модуле управления, кроме того, модуль управления имеет выход сигнала возбуждения нейтрали, вход программирования и вход - выход для подключения шины обмена информацией с внешним устройством управления, которые являются одноименными выходом, входом и входом - выходом устройства.
Заявленный технический результат достигается следующим образом.
Существенные признаки формулы полезной модели: «Устройство для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор, включающее блок формирования сигнала возбуждения нейтрали и питающий трансформатор напряжением 220 В с частотой 50 Гц, …» - являются неотъемлемой частью заявленного устройства и обеспечивают его работоспособность, а, следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.
В состав заявляемого устройства дополнительно введен модуль управления, который выполнен программируемым, и блок управляемых коммутаторов, управляемые входы которого подключены к управляющим выходам модуля управления, вход - к питающему трансформатору, а выходы подключены к соответствующим входам блока формирования сигнала возбуждения нейтрали, выход сигнала возбуждения нейтрали которого подключен к входу контроля параметров сигнала возбуждения нейтрали в модуле управления. При этом блок формирования сигнала возбуждения нейтрали содержит n параллельных RC - цепей, а модуль управления имеет выход сигнала возбуждения нейтрали, который является одноименным выходом устройства. В результате обеспечивается возможность формирования на выходе заявляемого устройства сигнала возбуждения нейтрали для настройки дугогасящего реактора в резонанс с емкостью сети путем подключения к обмотке управления настраиваемого дугогасящего реактора RC-цепей с конденсаторами требуемой емкости.
В заявляемом устройстве блок формирования сигнала возбуждения нейтрали содержит n параллельных RC - цепей. Первые выводы параллельных RC - цепей подключены к соответствующим входам блока, а вторые выводы параллельных RC - цепей соединены между собой и подключены в блоке к выходу сигнала возбуждения нейтрали. Блок управляемых коммутаторов содержит по числу параллельных RC - цепей коммутаторы, входы управления которых подключены к соответствующим управляемым входам блока коммутаторов, входы переключающих цепей соединены между собой и подключены к входу блока коммутаторов, который подключен к вторичной обмотке питающего трансформатора напряжения, выходы переключающих цепей коммутаторов подключены к соответствующим выходам блока управляемых коммутаторов.
Предлагаемое выполнение блоков управляемых коммутаторов и формирования сигнала возбуждения нейтрали позволяет, под действием управляющих сигналов с модуля управления и внешнего управляющего устройства, организовать, путем вариации комбинаций соединения RC-цепей, регулировку амплитуды сигнала возбуждения нейтрали в соответствии с величиной 3Uo в точке резонанса контура нулевой последовательности, а также позволяет формировать на выходе устройства широкий диапазон значений амплитуд сигнала возбуждения нейтрали, при котором величина формируемого искусственного смещения нейтрали обеспечивает достоверный контроль тока и напряжения нулевой последовательности, что обеспечивает высокую точность настройки дугогасящего реактора фазовым методом.
При этом выполнение модуля управления программируемым и его соединение с внешним управляющим устройством посредством входа -выхода для подключения шины обмена информацией обеспечивают возможность автоматической регулировки амплитуды сигнала возбуждения нейтрали по управляющим сигналам от внешнего устройства управления. В результате формируемый сигнал возбуждения нейтрали соответствует реальному значению емкости сети в данный момент времени, что обеспечивает настройку дугогасящего реактора, работающего совместно с заявляемым устройством, в масштабе реального времени в соответствии с емкостными параметрами сети.
Использование для реализации коммутаторов твердотельного реле обеспечивает электрическую изоляцию между цепями низковольтными и силовыми. Кроме того, твердотельное реле не создает помех при переключении, что не искажает амплитуды выходного сигнала устройства.
Кроме того, выполнение модуля управления программируемым и его соединение с внешним управляющим устройством посредством входа - выхода для подключения шины обмена информацией, обеспечивают: возможность формирования на выходе заявляемого устройства сигнала возбуждения нейтрали, а, следовательно, и искусственное смещение сети, на короткое время, достаточное для настройки дугогасящего реактора в резонанс;
формирование управляющих сигналов для блока коммутации;
возможность формирования сигнала возбуждения нейтрали через заданный интервал времени;
измерения тока и напряжения формируемого сигнала возбуждения нейтрали;
контроль работоспособности заявляемого устройства в автоматическом режиме;
обмен информацией с внешним управляющим устройством, выполняющим настройку дугогасящего реактора в резонанс с контуром нулевой последовательности сети;
работу заявляемого устройства в автоматическом режиме;
возможность настройки дугогасящего реактора в масштабе реального времени в соответствии с емкостными параметрами сети.
При этом выполнение модуля управления программируемым и наличие в модуле входа программирования обеспечивают возможность адаптации модуля управления к параметрам конкретного дугогасящего реактора и конкретной сети заменой рабочей программы. В совокупности с вышеизложенным, это придает заявленному устройству универсальность.
В RC-цепях сопротивление используют для разряда конденсатора.
Использование в устройстве питающего трансформатора напряжения 220 В с частотой 50 Гц позволяет формировать на выходе устройства сигнал возбуждения нейтрали с частотой 50 Гц, т.е. сигнал промышленной частоты, что не требует адаптации заявляемого устройства к сети. Кроме того, питающий трансформатор выполняет функцию гальванической развязки.
Подключение входа напряжения питания модуля управления к вторичной обмотке питающего трансформатора обеспечивает электропитание модуля управления, а также возможность контроля модулем напряжения на вторичной обмотке напряжения питания.
Как отмечалось выше, в штатном режиме работы сети всегда присутствует смещение нейтрали, обусловленное естественной несимметрией сети из-за различного расположения проводов на опорах, неравномерного распределения по фазам конденсаторов для защиты вращающихся машин, конденсаторов связи и прочей работы технологического оборудования. При этом, при наличии дугогасящего реактора, настроенного в резонанс с емкостной составляющей сети, результирующее напряжение смещения нейтрали существенно превышает естественное напряжение смещения сети (Ф.Л. Коган «Пособие для изучения правил эксплуатации электрических станций и сетей», с. 282), что может отражаться на качестве сети и делает нежелательным наличие постоянно действующего в сети искусственного смещения нейтрали. С другой стороны: для точной настройки реактора искусственное смещение нейтрали должно быть таким, при котором можно достоверно контролировать ток и напряжение нулевой последовательности.
Как следует из вышеизложенного следует, заявляемое устройство для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор, при осуществлении обеспечивает:
возможность создания в сети кратковременного смещения нейтрали на время, необходимое для настройки дугогасящего реактора в резонанс с емкостью сети;
возможность варьирования величиной смещения сети в зависимости от изменения емкости сети;
возможность настройки работающего с устройством дугогасящего реактора в масштабе реального времени в соответствии реальным значением емкости сети;
возможность организации настройки дугогасящего реактора в автоматическом режиме;
повышение точности настройки дугогасящего реактора.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявляемое устройство для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор, при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности создания в сети кратковременного смещения нейтрали на время, необходимое для настройки дугогасящего реактора в резонанс с емкостью сети, в возможности варьирования величиной смещения сети в зависимости от изменения емкости сети, в возможности организации настройки дугогасящего реактора в автоматическом режиме, в повышении точности настройки дугогасящего реактора.
На фиг. 1 изображена схема электрическая принципиальная заявляемого устройства для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор (устройство подключено к внешнему устройству управления и к плунжерному дугогасящему реактору).
Заявленное устройство 1 для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор содержит модуль управления 2, блок управляемых коммутаторов 3, блок формирования сигнала возбуждения нейтрали 4, питающий трансформатор 5 напряжения 220 В с частотой 50 Гц.
n
n
Модуль управления 2 выполнен программируемым. Вход напряжения питания модуля 2 подключен к вторичной обмотке питающего трансформатора 5. Выходы 6 блока 3 управляемых коммутаторов подключены к соответствующим входам 7 блока 4 формирования сигнала возбуждения нейтрали.
n
n
n
Блок 4 формирования сигнала возбуждения нейтрали содержит n параллельных RC - цепей 8, а блок 3 управляемых коммутаторов содержит коммутаторы 9 по числу параллельных RC - цепей 8.
n
n
n
Входы управления коммутаторов 9 подключены к соответствующим управляемым входам 10 блока 3 коммутаторов, которые подключены к управляемым выходам 11 модуля управления 2.
n
n
n
Входы переключающих цепей коммутаторов 9 соединены между собой и подключены к входу 12 блока 3 коммутаторов, который подключен к вторичной обмотке питающего трансформатора 5 напряжения. Выходы переключающих цепей коммутаторов 9 подключены к соответствующим выходам 6 блока 3 управляемых коммутаторов.
n
n
В блоке 4 формирования сигнала возбуждения нейтрали первые выводы параллельных RC - цепей 8 подключены к соответствующим входам 7 блока 4. Вторые выводы параллельных RC - цепей соединены между собой и подключены к выходу 13 сигнала возбуждения нейтрали, который подключен к входу 14 контроля параметров сигнала возбуждения нейтрали в модуле управления 2.
Кроме того, модуль управления 2 имеет выход 15 сигнала возбуждения нейтрали, вход 16 программирования и вход - выход 17 для подключения шины обмена информацией с внешним устройством управления 18, которые являются одноименными выходом, входом и входом - выходом устройства.
Заявляемое устройство для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор, используют совместно с плунжерным дугогасящим реактором типа РДМР (РЗДПОМ и др.) с обмоткой управления и совместно с устройством автоматического управления токами компенсации УАРК-105, МИРК, ПАРК и т.п., которые выполняют настройку реактора в резонанс с емкостью сети фазовым методом.
На фигуре заявляемое устройство 1 подключено к обмотке управления 19 дугогасящего реактора 20 с перестраиваемой индуктивностью. Внешнее устройство управления 18 подключено к сигнальной обмотке 21 дугогасящего реактора 20.
Заявляемое устройство для возбуждения нейтрали электрической сети, заземленной через дугогасящий реактор, работает следующим образом.
Пороги для определения отклонения напряжения и выдержки времени задаются в меню устройством управления.
Предварительно в модуль управления 2 устройства 1 для возбуждения нейтрали посредством входа 16 вводят программу, обеспечивающую возможность согласованной работы устройства с конкретным подключенным к нему дугогасящим реактором и внешним управляющим устройством с учетом емкостных параметров сети.
Устройство 1 для возбуждения нейтрали работает в автоматическом режиме по командам внешнего устройства 18 управления.
1
n
После включения напряжения питания (трансформатор 5) модуль 2 готов к работе. В блоке 3 управляемых коммутаторов в исходном состоянии переключающие цепи коммутаторов 9-9 разомкнуты.
С внешнего управляющего устройства 18 через шину 17 обмена информацией на вход модуля управления 2 поступает команда на формирование на выходе 15 устройства 1 тока возбуждения нейтрали.
Величину выходного тока сигнала вобуждения нейтрали (выход 15) задают сигналом управления от внешнего устройства 18.
1
n
1
n
1
n
1
n
Модуль управления 2 работает в соответствии с заложенной в него программой и формирует на своих управляющих выходах 11-11 сигналы управления для блока 3 управляемых коммутаторов, которые устанавливаются на соответствующих управляющих входах, например, 10, 10, последнего. Соответствующие коммутаторы 9, 9, на которые поступил сигнал управления, срабатывают, замыкают переключающие цепи и подключают выходы своих переключающих цепей через вход 12 к питающему трансформатору 5, что обеспечивает подключение к питающему трансформатору соответствующей этим входам комбинации из RC-цепей 8, 8, в соответствии с программой модуля 2.
Формируемый на выходе 13 блока 4 сигнал возбуждения нейтрали поступает в модуль управление 2 на вход 14 контроля параметров сигнала возбуждения нейтрали. Модуль управления измеряет ток и напряжение формируемого сигнала и передает информацию во внешнее управляющее устройство. Формируемый сигнал поступает на выход 15 устройства 1 и на обмотку управления 19 дугогасящего реактора 20, инициируя возбуждение нейтрали.
При этом сигнал на выходе 15 устройства формируется в течение времени, необходимом для настройки реактора и последующего перемещения плунжера. Продолжительность времени формирования сигнала на выходе 15 устройства 1, а именно, время между сигналом на включение и выключение устройства 1, задается внешним устройством управления и зависит только от быстродействия всей системы настройки дугогасящего реактора 20. Возможность кратковременного формирования сигнала возбуждения нейтрали позволяет формировать кратковременное напряжение смещения нейтрали с максимально возможной допустимой амплитудой, что для обеспечивает надежную работу внешнего управляющего устройства, выполняющего настройку дугогасящего реактора.
Кроме того, возможность настройки дугогасящего реактора через заданный интервал времени позволяет поддерживать параметры настройки реактора 20 в масштабе реального времени в соответствии с реальным изменением параметров сети, что повышает точность настройки.
1
n
0
0
Внешнее управляющее устройство 18, по информации с сигнальной обмотки 21 последовательно выполняет настройку дугогасящего реактора 20 в резонанс с контуром нулевой последовательности сети. При этом в процессе настройки модуль управления 2, при наличии на шине 17 сигнала с управляющего устройства, изменяет комбинации соединения RC - цепи 8-8, изменяя, тем самым изменяя амплитуду сигнала на выходе 15 устройства 1, а, следовательно, изменяя искусственное смещения нейтрали сети. Величина амплитуды выходного сигнала подбирается такой, чтобы обеспечить напряжение 3U в точке резонанса в заданном диапазоне. Отклонения напряжения 3U задают в меню внешнего управляющего устройства 18.
После настройки дугогасящего реактора 20 в резонанс с контуром нулевой последовательности или при наличии 0ЗЗ, внешнее управляющее устройство 18 программно отключает модуль управления 2 от питающего трансформатора 5.
0
Повторное включение осуществляют через фиксированное время, заданное в параметрах настройки внешнего управляющего устройства 18, или при обнаружении внешним управляющим устройством 18 существенного изменения амплитуды или фазы 3U с момента отключения.
Модуль управления представляет собой программируемый микроконтроллер. Выполнение модуля управления программируемым и наличие в модуле входа программирования обеспечивают возможность адаптации модуля управления к параметрам конкретного дугогасящего реактора. В совокупности с вышеизложенным это придает заявленному устройству универсальность.
Коммутаторы могут быть выполнены, например, на твердотельном реле типа DR48D12.
В качестве шины 17 обмена информации может быть использован, например интерфейс CAN.