Способ и устройство измерения емкостного тока электрической сети с плавнорегулируемым дугогасящим реактором
METHOD AND DEVICE FOR MEASURING CAPACITANCE CURRENT OF ELECTRIC NETWORK WITH SMOOTH-CONTROLLED ARC-SUPPRESSING REACTOR

В электрических сетях среднего напряжения существует задача мониторинга параметров контура нулевой последовательности (КНП) сети, обусловленная: необходимостью оценки загруженности дугогасящих реакторов (ДГР), в том числе в перспективе развитии сети; увеличением емкостного тока при замене воздушных линий и кабелей с пропиткой маслом на кабели с пластмассовой изоляцией и конфигурации сети; внедрением заземляющего резистора при комбинированном заземлении нейтрали; оценки переходных процессов при однофазных замыканиях на землю и т.п.
В распределительных сетях 6-35 кВ с целью оценки емкостного тока конкретной сети с установленными ДГР применяются, как отдельные встроенные устройства определения расстройки и вычисления емкостного тока, что характерно для реакторов ступенчатого вида регулирования с известными значениями токов ответвлений, так и устройства автоматики управления плавнорегулируемых дугогасящих реакторов с встроенным алгоритмом расчета емкостного тока сети. В электросетевом хозяйстве России эксплуатируется большое разнообразие ДГР, с преобладанием плавнорегулируемых реакторов с регулированием тока изменением немагнитного зазора в сердечнике (плунжерные ДГР). В сетях распространены способы измерения тока компенсации: а) по величине напряжения на рабочей обмотке и тока ДГР, которые измеряются, как правило, при значительном искусственном смещении нейтрали и в области резонансной настройки, на котором напряжение на нейтрали имеет максимальное значение [1, 2]; б) использованием паспортного значения максимального тока ДГР и значения расстройки в положении максимального тока плунжера реактора [3]; в) введением двухчастотного токового сигнала в нейтраль сети. Способ используется, в основном, дугогасящими реакторами импортного производства Trench (Австрия) и EGE (Чехия) и сопряжен комплектацией дорогостоящего дополнительного источника большой мощности [4].
Область внедрения изобретения относится к электротехнике, а именно, к устройствам измерения емкостных токов замыкания на землю в компенсированных электрических сетях 6, 10, 15, 20 и 35 кВ, преимущественно с дугогасящими реакторами плунжерного типа. Положительным моментом предлагаемого устройства является малые потребляемая мощность и длительность процесса измерения емкостного тока.
<mrow><mi>S</mi><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>2</mn></mrow>
Сущностью изобретения является способ измерения емкостного тока замыкания в сети с ДГР, оснащенного микропроцессорной автоматикой управления (МПУ ДГР), использующей параметры переходной характеристики контура нулевой последовательности (КНП) сети [3], дополненная двумя коммутаторами: управления конденсаторной батареей с известной емкостью  и источником токового сигнала . Основным требованием к устройству с точки зрения обеспечения точности измерений, является близость настройки резонансной и точность определения расстройки компенсации МПУ ДГР.
Перечень фигур, чертежей и иных материалов для описания изобретения.
<mrow><mi>Δ</mi><mi>C</mi></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>1</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mtext>у</mtext></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mtext>Ф</mtext></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>A</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>B</mi></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>C</mi><mi>C</mi></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>С</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mtext>у</mtext></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>C</mi></mrow><mo>/</mo><mrow><msubsup><mi>K</mi><mtext>Т</mtext><mtext>2</mtext></msubsup></mrow></mrow></mrow>
<mrow><msub><mi>K</mi><mtext>Т</mtext></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mtext>Р</mtext></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>W</mi><mtext>у</mtext></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>С</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>C</mi></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>2</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>R</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>E</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>2</mn></mrow>
,
На чертеже изобретения конденсатор с известной емкостью , подключается коммутаторомк вторичной нагрузочной обмотке реактора . Общая суммарная емкость фазных изоляций   равна сумме емкостей ,, связана с первичной (рабочей) обмоткой ДГР посредством трехфазного специального трансформаторного устройства с малым сопротивлением токам нулевой последовательности – фильтра нулевой последовательности (ТДГР). Приведенная к первичной обмотке емкость конденсатора , подключаемой к вторичной обмоткеДГР:  где – коэффициент трансформации междуи , или конденсатор емкостью, равной емкости , подключенный посредством коммутатора  к рабочей обмотке, образует совместно с емкостями фазной изоляции общую емкость сети при втором измерении расстройки компенсации. Первое измерение расстройки производится при отключенном  и настроенным на резонанс КНП сети. В режимах измерений емкостного тока кратковременно включается коммутатор  и во вторичную сигнальную обмотку ограниченный резистором  токовый сигнал от источника . Управление коммутаторами  и  производится МПУ ДГР по заданному алгоритму управления.
Из применяемых на практике способов измерения наиболее близким к предлагаемому является описанный в [3] способ измерения емкостного тока сети на микропроцессорном устройстве настройки ДГР «Бреслер 0117.060», основанное на кратковременной инжекции в контур токового сигнала. В КНП сети посредством его вторичной обмотки вводится импульс тока длительностью менее 10 мс. По истечении импульсного сигнала в контуре возникают затухающие колебания с частотой собственных колебаний
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow></mfrac><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>L</mi><mi>C</mi></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
, где С – фазная емкость искомой сети.
<mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>f</mi><mtext>C</mtext></msub></mrow>
Полученное значение , при известном или измеренным на текущее время частоты тока сети позволяет определить расстройку контура, как
<mrow><mi>ϑ</mi><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>f</mi><mi>C</mi></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
(1).
При известном, указанном в паспорте ДГР, значении максимального тока реактора определяется величина емкостного тока замыкания
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mi>L</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>/</mo><mi>ϑ</mi></mrow></mrow>
,
<mrow><mi>ϑ</mi><mo>=</mo><mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mo>−</mo><msub><mi>I</mi><mi>L</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>/</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub></mrow></mrow></mrow>
где- выражение для определения расстройки по реактивным составляющим тока замыкания на землю. Очевидно, недостатками измерения описанного способа является: зависимость точности установки ограничителя максимального тока ДГР и выбега двигателя при достижении точки отключения; точности измерения текущей расстройки компенсации; значительное время на проведение измерений; износ механической части, в том числе «верхнего» конечного выключателя из-за частого включения.
В предлагаемом способе, с целью повышения достоверности проводимых измерений, уменьшения длительности измерений, повышения надежности электрооборудования акцентирование внимание на:
- проведение измерений в области резонанса и незначительном отклонении расстройки от резонанса, где наиболее высока степень достоверности результатов опыта;
- исключение из процесса измерений включение привода плунжера, как наиболее ненадежного элемента во всей системе управления компенсацией, кроме случаев ненастроенности ДГР на резонанс к моменту начала измерений;
-  уменьшение времени измерений  с целью снижения вероятности влияния на результаты случайных переключений линий в сети, приводящих к изменениям емкостного тока замыкания в процессе измерений и, соответственно, к погрешностям измерения указанного тока.
<mrow><mi>S</mi><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>2</mn></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>1</mn></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>C</mi></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>1</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>C</mi></mrow>
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>S</mi><mn>1</mn></mrow>
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
,
ʋ
0
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения. Достигаемым техническим результатом от реализации и применения способа измерения емкостного тока электрической сети с плавнорегулируемым дугогасящим реактором является снижение длительности и повышение точности измерений, уменьшение износа электрооборудования, пониженное потребление энергии. Перечисленное выше решает задачи правильного выбора оборудования компенсации емкостных токов и предотвращения отключений в электрических сетях и, соответственно, повышению надежности электроснабжения потребителей в целом. Измерение емкостного тока происходит следующим образом. При отключенных коммутаторах  и  проверяется режим настройки. Для этого кратковременно (менее 10 мс) включается коммутатор  тем самым вводится возмущающее воздействие в контур. Измеряется частота собственных затухающих колебаний в контуре и вычисляется по формуле (1) расстройка компенсации , соответсвующий резонансному или близкому к нему режиму компенсации емкостных токов. Затем, по истечении заданного времени (единицы с) включается коммутатор , тем самым конденсатор подключается к вторичной обмотке ДГР. Далее включается кратковременно контактор  и производится второе измерение расстройки , с подключенным конденсатором. Приведя формулы измерения расстройки с выключенным  и  с включенным коммутатором к виду:
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>L</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><msub><mrow /><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mn>1</mn><mo>−</mo><mfrac><mrow><msub><mi>I</mi><mi>L</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><msub><mrow /><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
и     , (2)
<mrow><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><msub><mrow /><mn>0</mn></msub></mrow>
I
L
где емкостный ток сети  соответствует величине тока реактора  в режиме резонансной настройки, т.е.
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>C</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>I</mi><mi>L</mi></msub></mrow>
.(3)
И решая совместно (2) и (3), получим
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>C</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>+</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
. (4)
Преобразовав (4), получим выражение для определения емкостного тока сети
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>C</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub></mrow>
. (5)
Полученное выражение (5) позволяет вычислить емкостный ток сети непосредственно по показаниям измерителя расстройки компенсации, способного определить действительное его значение при переключениях в сети, связанных с подключением отходящей линии с известными параметрами, либо подключением дополнительного конденсатора к обмоткам ДГР. По формуле (5) действительное значение емкостного тока определяется, как отношение расчетного тока упомянутого конденсатора в режиме металлического замыкания на землю к величине разности второй и первой расстроек, за вычетом тока указанного конденсатора. Учитывая, что при резонансе емкость сети равна индуктивности ДГР, последнее позволяет определить и положение плунжера дугогасящего реактора. При емкостных токах сети, близких к конечным значениям тока ДГР, отраженных в паспорте на оборудование, может быть использовано для формирования сигналов ограничения хода плунжера ДГР, т.е. аналогом конечных выключателей привода плунжера для предотвращения заклинивания подвижного сердечника реактора.
Последовательно решая формулу (5), получим выражение для определения емкостного тока в виде:
<mrow><msub><mi>I</mi><mrow><mi>C</mi><mn>0</mn></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>I</mi><mi>L</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
. (6)
<mrow><mi>ϑ</mi><mo>=</mo><mn>0</mn></mrow>
<mrow><mo>±</mo><msub><mi>ϑ</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
Формулы (5) и (6) обеспечивают максимальную точность измерений при точной - резонансной, настройке, т.е. , которую обеспечивает автоматика управления совместно с ДГР в процессе работы. При неточной настройке (с расстройкой,) формулы (5) и (6) требуют корректировки с целью исключения влияния «остаточной» расстройки на точность измерений емкостного тока сети предлагаемым способом.
В формулах (5) и (6) определения емкостного тока сети расстройка компенсации в этом случае должна быть записана в виде:
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msub><msup><mi>ϑ</mi><mo>′</mo></msup><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><mo stretchy="false">(</mo><mo>±</mo><msub><mi>ϑ</mi><mn>0</mn></msub><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
,
<mrow><msub><mi>ϑ</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>I</mi><mi>C</mi></msub></mrow>
<mi>ϑ</mi>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>+</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mo>−</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где  - истинная расстройка, полученная при подключении линии с емкостным током ; знак перед  указывает на:  – режим недокомпенсации (индуктивный ток меньше емкостного тока сети),  – режим перекомпенсации.
Обеспечение требуемой или достаточной точности измерения емкостного тока, согласно формулам (5) и (6), возможно при соблюдении соотношения емкостного тока, создаваемого дополнительно включенным в цепь КНП сети конденсатора (линии) и точности измерения расстройки функционирующей совместно с ДГР автоматики.
Разработанное техническое решение позволяет значительно снизить длительность процесса и повысить точность результатов измерений емкостного тока сети; исключить из процесса измерений включение привода плунжера до установки величины максимального тока ДГР и возврат в иходное состояние по завершению цикла измерения; проведение испытаний в области резонансной настройки, где выше достоверность полученных результатов. Дополнительно, процесс измерений связан с существенно малым по сравнению с рассматриваемыми устройствами аналогичного назначения, потреблением энергии.
Литература
1. Обабков В.К., Никифоров А. П. Точность автоподстройки частоты свободных колебаний в симметричных сетях с компенсированной нейтралью/ В.К. Обабков, А. П. Никифоров // Электричество. - 1996. - №12. С. 8-16.
2. Миронов И. Дугогасящие реакторы 6–35 кВ. Автоматическая компенсация емкостного тока // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 5(47). – С. 56–59.
3. Петров М.И. Эксплуатация шкафов автоматики и управления типа «Бреслер» / Петров М.И., Соловьёв И.В., Чиндяскин В.И., Сальцев В.П. // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. Спец. вып. – 2008. – С. 69-82.
4. Druml, Gernot. Дугогасящие реакторы 6–35 кВ. Новый метод определения параметров сети / GernotDruml, AndreasKugi, BodoParr // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 2(44). – С. 61-64.