Способ измерения эквивалентной емкости сети и устройство для его осуществления
METHOD OF MEASURING EQUIVALENT CAPACITY OF NETWORK AND DEVICE FOR IMPLEMENTATION THEREOF

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам измерения и компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной и компенсированной нейтралью напряжением 6-35 кВ, и может быть использовано для измерения эквивалентной емкости сети в переносных и стационарных устройствах настройки дугогасящих реакторов (ДГР).
Техническим результатом является повышение точности измерения емкости сети и снижение уровня электромагнитных помех. Результат достигается тем, что в нейтрали электрической сети создают искусственный потенциал путем подачи в сигнальную обмотку дугогасящего реактора или «разомкнутый треугольник» дополнительного измерительного трансформатора контрольного тока в виде фрагмента синусоиды промышленной частоты, фиксируют кривую тока и напряжение нейтрали в момент действия контрольного тока, удаляют из полученных сигналов стационарную составляющую с помощью адаптивных фильтров и определяют емкость сети как отношение площади тока к максимальному напряжению, с учетом длительности интервала измерения t и коэффициента приведения к первичным величинам.
Уровень техники:
Все известные способы измерения эквивалентной емкости электрической сети можно условно разделить на две группы: прямые (непосредственные) и косвенные. Прямые способы измерения подразумевают наложение контрольного тока через сигнальную обмотку реактора или вспомогательного трансформатора с последующим выделением напряжения на «разомкнутом треугольнике» измерительного трансформатора, амплитуда которого прямо пропорциональна емкости сети. Косвенные способы требуют предварительной компенсация емкости сети с помощью плавно регулируемого реактора или статического реактора и дополнительных емкостных ступеней, где при известных параметрах индуктивности реактора или дополнительной подключенной емкостной ступени, а также известной резонансной частоте, определяют емкость сети. Также известны косвенные способы с применением токов наложения непромышленной часты фиксированных и плавно изменяющихся с целью последующего вычисления резонансной частоты и соответствующей проводимости сети [3]. При определенных условиях указанные способы успешно работают и обеспечивают измерение емкости сети, но имеют ряд недостатков, которые существенно снижают точность измерения. Основным фактором, влияющим на точность измерения, является напряжение смещения нейтрали, амплитуда которого непостоянна и зависит от несимметрии напряжения фаз, а также емкостной проводимости каждой фазы на землю. Напряжение смещения нейтрали может изменяться в значительных пределах, вплоть до амплитуды пропорциональной фазному напряжению в момент короткого замыкания на землю, является помехой, которая на заданном интервале представляет собой стационарный процесс, содержащий гармоники кратные частоте промышленной сети. В случае, когда амплитуда помехи превышает уровень полезного сигнала указанные выше способы измерения, становятся не работоспособны либо имеют недопустимую погрешность результатов измерений. Кроме того, все известные способы непосредственного измерения емкости не используют ток нейтрали в качестве источника информации, что не позволяет учитывать реактивные параметры первичного оборудования и, как следствие, иметь достаточную универсальность способа.
Немаловажным фактором, снижающим точность измерения косвенных способов в компенсированных сетях, следует указать нелинейные свойства индуктивности реактора при переходе от режима «малых сигналов», когда ток реактора равен нулю и индуктивность максимальна, к режиму «больших сигналов» когда индуктивность снижается вследствие частичного насыщения магнитопровода. Так как емкость сети определяется с учетом предварительно полученных величин индуктивности и резонансной частоты, то результат измерения емкости в значительной мере будет зависеть от амплитуды тока наложения протекающего через обмотку реактора в процессе измерений.
Заявляемый способ измерения использует непосредственное измерение напряжения на эквивалентной емкости сети в процессе заряда ее фрагментом тока синусоидальной формы, что позволяет получить более точный результат вне зависимости от электрических параметров первичного оборудования.
Известен способ измерения емкости сети с изолированной нейтралью [1], заключающийся в создании на нейтрали искусственного потенциала путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора либо через отдельный трансформатор и измерении напряжения смещения нейтрали на разомкнутой обмотке трансформатора напряжения. При этом используется дополнительно подключаемый на сигнальную обмотку реактора генератор синусоидального сигнала непромышленной частоты, например, повышенной 100 Гц либо пониженной 16,6 Гц. В нормальном режиме работы сети генератор непрерывно обеспечивает смещение нейтрали, которое зависит от величины емкости фаз сети на землю и фиксируется на выходе обмотки трансформатора напряжения, соединенной в «разомкнутый треугольник». Такие устройства обеспечивают измерение емкости сети, однако способ не обеспечивает заданную точность измерения при повышении напряжения смещения нейтрали, требует значительной установленной мощности оборудования и достаточно сложен в реализации, так как требует два синусоидальных источника тока непромышленной частоты.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению и взятый в качестве прототипа является способ измерения емкости сети с изолированной нейтралью [2]. Согласно этому способу на нейтрали электрической сети создают искусственный потенциал путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора, а в качестве источника непромышленной частоты используют периодический разряд на сигнальную обмотку предварительно заряжаемого конденсатора. Источник непромышленной частоты содержит зарядный блок и подключенный к его выходу конденсатор, который через управляемый коммутатор периодически разряжается на сигнальную обмотку дугогасящего реактора или на обмотку отдельного трансформатора, а сигнал, пропорциональный емкости сети, получается с выхода обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник, через последовательно соединенные первое дифференцирующее звено, второе дифференцирующее звено, амплитудный детектор и делитель, при этом блок синхронизации, соединенный своим входом со вторым дифференцирующим звеном, а выходом - с управляемым коммутатором, обеспечивает разряд конденсатора через управляемый коммутатор в момент перехода напряжения смещения нейтрали и его второй производной через нуль.
Прототип обладает следующими недостатками. Способ не может обеспечить необходимую точность измерения при наличии на нейтрали напряжения в виде суммы высших гармоник, что является характерным для обычного режима работы промышленной сети. В таком режиме переход напряжения через ноль может происходить несколько раз за период и работа дифференцирующих звеньев будет не корректной. После завершения действия тока непромышленной частоты напряжение на выходе амплитудного детектора будет зависеть от текущей индуктивности реактора, так как часть тока сигнальной обмотки будет ответвляться и накапливаться в магнитном поле реактора. Способ не обладает универсальностью в применении, так как напряжение на выходе амплитудного детектора будет определяться не только емкостью сети, но и будет зависеть от активного сопротивления сигнальной обмотки, подводящего кабеля и реактивных параметров первичного оборудования. Кроме того, разряд заряженной емкости на распределенные индуктивности подводящих кабелей реактора, как правило, сопровождается электромагнитными помехами высокой энергии, которые могут вызвать сбои в оборудовании РЗА подстанции.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение точности измерения емкости сети и снижение уровня электромагнитных помех.
Указанная цель достигается тем, что в нейтрали электрической сети создают искусственный потенциал путем подачи в сигнальную обмотку дугогасящего реактора или «разомкнутый треугольник» измерительного трансформатора контрольного тока в виде фрагмента синусоиды промышленной частоты, фиксируют кривую тока и напряжения нейтрали в момент действия контрольного тока, удаляют из полученных сигналов стационарную составляющую с помощью адаптивных фильтров и определяют емкость сети как отношение площади тока к максимальному напряжению, с учетом длительности интервала измерения t и коэффициента приведения к первичным величинам. Под первичными величинами подразумеваются напряжения и токи на первичной (или высоковольтной) стороне силового оборудования, в то время как вторичными величинами являются напряжения на выходах измерительного трансформатора тока (ТТ) и напряжения (ТН), к которым обычно подключаются устройства релейной защиты и автоматики. Как известно, первичные и вторичные величины трансформаторов связаны между собой через соответствующие коэффициенты трансформации [4].
Комплексный сигнал на выходе измерительного трансформатора в общем случае представляет собой сумму полезного сигнала (или информационной составляющей) и сигнала помехи. Сигналом помехи, в данном случае, считается стационарная составляющая, которая в нормальном режиме работы промышленной сети всегда присутствует на выходе измерительного трансформатора и представляет собой сигнал в виде суммы гармоник кратных промышленной частоте. Как было указано выше, стационарная составляющая затрудняет процесс измерения смещения нейтрали и должна быть удалена из комплексного сигнала. В предлагаемом способе для выделения информационных составляющих из комплексных сигналов напряжения и тока нейтрали используется адаптивный фильтр на основе цифрового КИХ-фильтра первого порядка с весовыми коэффициентами а0=1 и a1=-l. Подобный фильтр в технической литературе известен как «дискретный дифференциатор» [5]. Фильтр имеет антисимметричную импульсную характеристику с весовыми коэффициентами h(n)={1,-1}. Как известно, классический дифференциатор на каждом шаге находит разность двух соседних отсчетов входной последовательности, что эквивалентно операции дифференцирования.
где х(k) - входная последовательность;
у(k) - выходная последовательность.
АЧХ КИХ фильтра 1-го порядка имеет следующий вид:
В отличие от классического предлагаемый фильтр содержит регулируемую линию задержки Т, значение которой в любой момент времени кратно периоду промышленной частоты, что обеспечивает узел адаптации в составе цифрового фильтра. При этом для элемента задержки Т справедливо следующее соотношение:
где Δt - интервал дискретизации,
М - длина линии задержки в тактах дискретизации.
Учитывая, что величина задержки предлагаемого фильтра в М раз больше, то сигнал на выходе фильтра в любой момент времени будет являться разностью прямой и задержанной последовательностей отстоящих друг от друга во времени на значение М. При этом выходной сигнал можно описать следующим выражением:
С учетом (1) выражение для АЧХ фильтра получит следующий вид:
В результате АЧХ фильтра будет иметь гребенчатую структуру с минимумами на частотах кратных Fg=1/(M*Δt).
В процессе работы фильтра возникает погрешность, связанная с отклонением частоты сети от номинального значения. Для увеличения точности работы фильтра используется узел адаптации, который обеспечивает пропорциональное изменение времени задержки Т при изменении периода промышленной сети, таким образом, чтобы время задержки Т было равно целому количеству N периодов промышленной частоты.
0
На фигуре 1 показана функциональная схема КИХ-фильтра, которую можно использовать в реализации данного способа измерения емкости. Умножитель а на схеме фильтра может отсутствовать, если весовой коэффициент умножения равен 1 [5]. Так, как полоса пропускания фильтра имеет гребенчатую структуру и время задержки элемента Т равно целому количеству N периодов промышленной частоты, то в результате фильтрации комплексного сигнала, в нем будут удалены все составляющие кратные частоте промышленной сети. Учитывая то, что напряжение на нейтрали в большей части является суммой гармоник кратных промышленной частоте сети, то при отсутствии возмущений сигнал на выходе фильтра будет пренебрежимо мал. Таким образом, использование адаптивного фильтра позволяет простым способом выделить полезный сигнал (или информационную составляющую) на фоне стационарных помех, обусловленных естественным смещением нейтрали.
Для вычисления емкости сети используется известное интегральное соотношение для напряжения на емкости:
Так как, интеграл от тока можно заменить его средним значением на интервале времени tи, то формула для нахождения емкости преобразуется к виду:
где tи - интервал измерения, K - коэффициент приведения к первичным величинам.
Коэффициент приведения к первичным величинам рассчитывается по следующей формуле:
где Ктт - коэффициент трансформации трансформатора тока;
Ктн - коэффициент трансформации трансформатора напряжения.
Таким образом, эквивалентная емкость сети может быть получена путем обработки в вычислительном блоке сигналов напряжения и тока в соответствии с формулами (3, 4).
Для пояснения принципа действия предлагаемого способа на фигуре 2 представлена функциональная схема устройства для измерения эквивалентной емкости при наличии дугогасящего реактора; на фигуре 3 - функциональная схема устройства для измерения эквивалентной емкости изолированной сети.
Функциональная схема устройства по фигуре 2 содержит электрическую компенсированную сеть напряжением 6-35 кВ с коммутируемыми электрическими линиями и их фазными емкостями 9, нейтралеобразующий трансформатор 1 подключенный к фазным линиям сети, в нейтрали которого установлен дугогасящий реактор 2, трансформатор тока 3, включенный в цепи первичной обмотки дугогасящего реактора, измерительный трансформатор напряжения 4, подключенный к фазным напряжениям сети. Схема устройства также содержит адаптивные фильтры 5 и 6, управляюще входы «С» которых соединены вместе и подключены к вторичной обмотке трансформатора напряжения 4 соединенной по схеме «звезда», при этом информационный вход «I» адаптивного фильтра 5 подключен к вторичной обмотке трансформатора напряжения 4 соединенной по схеме «разомкнутый треугольник», а информационный вход «I» адаптивного фильтра 6 подключен к трансформатору тока 3, вычислительный блок 7, входы которого соединены с выходами адаптивных фильтров 5 и 6, источник контрольного тока 8, подключенный к сигнальной обмотке ДГР, при этом вход управления источника тока 8 подключен к выходу вычислительного блока 7.
Функциональная схема устройства по фигуре 3 содержит электрическую сеть с изолированной нейтралью напряжением 6-35 кВ с коммутируемыми электрическими линиями и их фазными емкостями 9, первый и второй измерительные трансформаторы 1 и 2 подключенные к фазным напряжениям сети, трансформатор тока 3, включенный в цепи вторичной обмотки трансформатора 1 соединенной по схеме «разомкнутый треугольник». Схема устройства также содержит адаптивные фильтры 5 и 6, управляющие входы «С» которых соединены вместе и подключены к вторичным обмоткам трансформатора 4, соединенным по схеме «звезда», при этом информационный вход «I» фильтра 5 подключен к вторичной обмотке трансформатора 4 соединенной по схеме «разомкнутый треугольник», а информационный вход «I» адаптивного фильтра 6 подключен к измерительному трансформатору тока 3, вычислительный блок 7, входы которого соединены с выходами адаптивных фильтров 5 и 6, источник контрольного тока 8, подключенный своим выходом к вторичной обмотке трансформатора 1 соединенной по схеме «разомкнутый треугольник», при этом вход управления источника тока 8 подключен к выходу вычислительного блока 7.
Адаптивные фильтры 5 и 6 показанные на фигурах 2, 3 имеют одинаковую реализацию, функциональная схема которой показана на фигуре 4. Адаптивный фильтр содержит блоки аналого-цифрового преобразования 1 и 2, регулируемую линию задержки 3, умножитель 4 и сумматор 5. Вход «I» адаптивного фильтра подключен к блоку аналого-цифрового преобразования 1, выход которого подключен к первому входу сумматора 5 и входу регулируемой линии задержки 3, при этом выход линии задержки 3 подключен ко второму входу сумматора 5 через умножитель 4. Вход «С» адаптивного фильтра подключен к блоку аналого-цифрового преобразования 2, выход которого подключен к управляющему входу регулируемой линии задержки 3.
Адаптивный фильтр (фигура 4) работает следующим образом. Аналоговый комплексный сигнал с входа «I», преобразуется в цифровой эквивалент, после чего поступает на первый вход сумматора и одновременно линию задержки, при этом задержанный на М выборок сигнал с выхода линии задержки 3 умножается на коэффициент -1 в умножителе 4, после чего поступает на второй вход сумматора 5. В результате сигнал на выходе сумматора 5 представляет собой информационную составляющую тока или напряжения полученную из комплексного входного сигнала в соответствии с выражением (2). Аналоговый сигнал с входа «С», который на практике представляет собой вторичную величину фазного напряжения сети, преобразуется в цифровой эквивалент и поступает на узел адаптации блока 3, который измеряет период промышленной частоты и при отклонении от заданного значения создает управляющее воздействие на элемент задержки Т таким образом, чтобы оно было равно целому количеству N периодов промышленной частоты. Коррекция времени задержки Т может осуществляться путем изменения периода дискретизации или изменением значения М.
Устройство, функциональная схема которого показана на фигуре 2, работает следующим образом. В нормальном режиме работы сети, когда отсутствуют какие-либо возмущающие факторы, информационные составляющие на выходах адаптивных фильтров отсутствуют, либо пренебрежимо малы. По команде оператора, либо находясь в автоматическом режиме, вычислительный блок 7 выдает команду на замыкание ключа источника контрольного тока в момент прохождения напряжения вспомогательного трансформатора через ноль, формируя тем самым контрольный ток в виде положительной полуволны в сигнальной обмотке дугогасящего реактора 2. Одновременно с этим, сигналы с выхода трансформатора тока 3 и обмотки измерительного трансформатора 4 соединенной по схеме «разомкнутый треугольник» поступают на входы «I» соответствующих адаптивных фильтров. В процессе работы устройства на входы «С» обоих фильтров также поступает сигнал синхронизации с вторичной обмотки трансформатора напряжения 4 соединенной по схеме «звезда». Узлы адаптации в составе фильтров 5 и 6 измеряют период промышленной частоты и регулируют время задержки Т фильтра таким образом, чтобы оно было равно целому количеству N периодов промышленной частоты. Полученные информационные составляющие напряжения (с выхода фильтра 5) и тока (с выхода фильтра 6) поступают в вычислительный блок 7, где обрабатываются в соответствии с формулами (3, 4).
Устройство, функциональная схема которого показана на фигуре 3, работает следующим образом. В нормальном режиме работы сети, когда отсутствуют какие-либо возмущающие факторы, информационные составляющие на выходах адаптивных фильтров отсутствуют, либо пренебрежимо малы. По команде оператора, либо находясь в автоматическом режиме, вычислительный блок 7 выдает команду на замыкание ключа источника контрольного тока в момент прохождения напряжения вспомогательного трансформатора через ноль, формируя тем самым контрольный ток в виде положительной полуволны во вторичной обмотке измерительного трансформатора Соединенной по схеме «разомкнутый треугольник». При этом ток, создаваемый в нейтрали сети и ток, протекающий в цепи «разомкнутого треугольника» будут связаны между собой через соответствующий коэффициент трансформации. В данном варианте трансформатор тока установлен в низковольтной цепи трансформатора 1, что одновременно позволяет контролировать ток нейтрали в момент действия контрольного тока и обезопасить работу обслуживающего персонала от воздействия высоких напряжений. В соответствии с приведенной функциональной схемой сигналы с выхода трансформатора тока 3 и обмотки измерительного трансформатора 4 соединенной в «разомкнутый треугольник» поступают на входы «I» соответствующих адаптивных фильтров. В процессе работы устройства на входы «С» обоих фильтров также поступает сигнал синхронизации с вторичной обмотки трансформатора напряжения 4 соединенной по схеме «звезда». Узлы адаптации в составе фильтров 5 и 6 измеряют период промышленной частоты и регулируют время задержки Т фильтров таким образом, чтобы оно было равно целому количеству N периодов промышленной частоты. Полученные информационные составляющие напряжения (с выхода фильтра 5) и тока (с выхода фильтра 6) поступают в вычислительный блок 7, где обрабатываются в соответствии с формулами (3,4).
Для наглядности, на фигуре 4 представлены рабочие осциллограммы напряжения и тока при измерении устройством емкости изолированной сети.
Высокая точность измерений в данном способе, по сравнению с прототипом, достигается за счет:
- применения адаптивной фильтрации сигналов контура нулевой последовательности;
- использования в качестве информационного сигнала тока нейтрали;
- применением контрольного тока в виде фрагмента синусоидальной формы.
Предложенный способ обладает дополнительным преимуществом по сравнению с прототипом за счет использования контрольного тока синусоидальной формы, что позволяет существенно снизить коммутационные помехи, так как включение и отключение силового ключа происходит вблизи нуля напряжения. Источник контрольного тока формирует полуволну положительной или отрицательной полярности и может быть реализован на основе полупроводникового ключа и однофазного трансформатора небольшой мощности 200-250 Вт с питанием от трансформатора собственных нужд подстанции (ТСН).
Описание чертежей
Фигура 1: Функциональная схема фильтра с конечной импульсной характеристикой (КИХ) и весовыми коэффициентами а0=1 и a1=-1.
Фигура 2: Функциональная схема устройства для измерения эквивалентной емкости сети с компенсированной нейтралью.
Фигура 3: Функциональная схема устройства для измерения эквивалентной емкости сети с изолированной нейтралью.
Фигура 4: Функциональная схема реализации адаптивного фильтра.
Фигура 5: Осциллограммы напряжения и тока нейтрали при измерении эквивалентной емкости изолированной сети, где кривая 1 - ток в искусственной нейтрали, 2 - напряжение на нейтрали сети.
Литература
1. А.А. Черников. "Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью". М.: Энергия, 1974 г., с. 83-84.
2. Патент на изобретение №2148833. Способ измерения емкости сети с изолированной нейтралью. Брянцев A.M., Брянцев М.А., Долгополов А.Г., Долгополов С.Г. Опубликовано 10.05.2000 г.
3. Патент на изобретение №2170938. Способ измерения емкости сети для автоматической настройки дугогасящих реакторов. Брянцев A.M., Брянцев М.А., Долгополов А.Г., Долгополов С.Г. Опубликовано 20.07.2001 г.
4. М.И. Кузнецов. "Основы электротехники", с. 278-307. М.: Высшая школа, 1964 г.
5. Под ред. Р. Богнер, А. Константинидис, "Введение в цифровую фильтрацию", с. 82-87. М.: Издательство "Мир", 1976 г.