Источник контрольного тока для защиты от замыканий на землю сетей с компенсированной нейтралью

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 172

1967

ИСТОЧНИК КОНТРОЛЬНОГО ТОКА ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЙ НА ЗЕМЛЮ СЕТЕЙ С КОМПЕНСИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ

Р. А. ВАИНШТЕИН, А. В. ШМОИЛОВ

Представлена научным семинаром кафедр электрических станций и электрических сетей и систем

Вопрос выполнения селективной защиты от замыканий на землю сетей с компенсированной нейтралью остается актуальным в настоящее время [1]. Малая величина реактивной составляющей тока нулевой последовательности, а также неопределенность знака этой составляющей на поврежденном элементе вследствие регулирования режима компенсации заставляют сразу отказаться от использования ее для защиты. Распределение активной составляющей тока нулевой последовательности благоприятно для выбора поврежденного элемента. Однако величины этого тока в большинстве практических случаев ничтожно малы, что создает значительные трудности при разработке реагирующего органа. Исследования [1, 2] показывают, что защита, реагирующая на активную составляющую тока, в части практических случаев может оказаться удовлетворительной при соответствующем реагирующем органе.

В последнее время появились перспективные разработки [1, 3, 4], использующие для защиты искусственно накладываемый на сеть контрольный ток.

В {3] приведены исследования и разработка защиты сетей, использующие искусственно накладываемый на сеть контрольный ток с частотой 25 гц. Исследования, проведенные там же, а также дополнительные исследования показывают, что наиболее экономично и технически просто осуществить наложение контрольного тока на сеть можно посредством включения последовательно с дугогасящей катушкой источника контрольного тока (ИКТ).

Исследования показывают, что ИКТ в таком случае должен удовлетворять следующим требованиям:

1. Включение ИКТ не должно практически изменить режим дугогасящей катушки (ДГК), т. е. внутреннее сопротивление ИКТ для промышленной частоты должно быть близким к нулю,

2. Режим работы ИКТ не должен практически зависеть от тока дугогасящей катушки при замыкании на землю.

3. Частота контрольного тока должна быть ниже промышленной.

Выполнение этих требований наиболее просто можно осуществить

посредством, шунтирования выхода ИКТ последовательной резонансной цепью- Ь—С, настроенной на частоту промышленного тока и включенной последовательно в цепь ДГК. Однако расчеты показывают, что в нормальном режиме работы сети при приемлемых параметрах цепи I.—С получается очень большой отсос контрольного тока в цепь Ь—С (больше 60%).

5

67

Это явление неприемлемо при использовании в качестве реагирующего органа защиты фазочувствительного устройства, реагирующего на изменение фазы контрольного тока при замыкании, так как в нормальном режиме работы сети будет недостаточным торможение в реагирующем органе.

Данное обстоятельство выдвигает еще одно требование к ИКТ, заключающееся в том, что цепь L—С должна вместе с другими элементами являться необходимой составной частью Р1КТ и обеспечивать вместе с ними режим ИКТ.

Отмеченным требованиям удовлетворяют специально разработанные для защиты конструкции параметрических делителей частоты (ПДЧ). Ниже приводится описание принципа работы ПДЧ на основе схемы замещения, результаты испытаний и методика инженерного расчета.

На рис. 1 а приведена схема обычной конструкции ПДЧ. ПДЧ обычной конструкции состоит из двух ферромагнитных сердечников с намотанными на них обмотками возбуждения WB, контурными обмотками WK и выходными обмотками WIRых . Обмотки W,B питаются от источника синусоидального напряжения 50 гц через полупроводниковый вентиль. В. Они соединяются встречно - последовательно по отношению к контурным обмоткам, которые соединены последовательно и замкнуты на конденсатор С. Индуктивность жонтурных обмоток вместе с конденсатором С образует колебательный контур, настроенный на частоту, близкую к 25 гц. Выходные обмотки соединяются согласно с контурными. Зажимами 1-1 ПДЧ включается в цепь ДГК. На рис. 1 б приведена схема замещения ПДЧ со стороны выходных обмоток. Эта схема со стороны выходных обмоток представляет собой обычную схему замещения трансформатора с емкостной нагрузкой С, индуктивность ветви намагничивания которого является периодически изменяющейся во времени (LH). Остальные обозначения на схеме:

Рис. 1.

V

Р вых и г

вых

индуктивность рассеяния и активное сопротивле-

ние выходных обмоток, приведенные к числу витков контурной обмотки;

Цж и гк — индуктивность рассеяния контурной обмотки и активное сопротивление колебательного контура;

ьд — дополнительная индуктивность.

Дополнительная индуктивность должна быть выбрана такой, чтобы вместе с индуктивностью Ьрк и конденсатором С образовать последовательную резонансную цепь на частоте промышленного тока. Тогда входное сопротивление ПДЧ для тока дугогасящей катушки будет определяться небольшой геометрической суммой сопротивлений х'р вых г'вых. Г к* Одновременно в таком случае ответвление тока 50 гц в ветвь намагничивания-ПДЧ будет минимальным. Таким образом, включение дополнительной индуктивности устраняет влияние ПДЧ на ток дугогасящей катушки и влияние этого тока на электромагнитные-процессы в ПДЧ, обеспечивающие деление частоты.

Включение дополнительной индуктивности принципиально не

изменяет режим работы ПДЧ. Покажем это. При полной резонансной настройке на частоте 50 гц цепи (ЬРк+Ьд) —С относительно точек О—О

можно составить два уравнения на частотах 50 и 25 гц:

ш(ьрк + ьд) = 7шС,

2/шС — <о/ 2(Ьрк + Ьд) = ~, (О

частота промышленного тока;

некоторая эквивалентная емкость, подключенная к ветви намагничивания и соответствующая сопротивлению емкостного характера, на частоте 25 гц при включении Ьд.

Сэ = 4/з С.

Включение Ьд увеличивает эквивалентную емкость колебательного контура. Для получения режима* ПДЧ, предшествующего включению Ьд, необходимо емкость конденсатора С уменьшить в 4/з раз.

Таким образом, описанная схема ПДЧ полностью удовлетворяет требованиям к ИКТ для защиты компенсированных сетей от замыканий на землю.

Схема замещения специально разработанных конструкций ПДЧ принципиально не отличается от приведенной на рис. 1 б. Отличие этих конструкций от обычной состоит в том, что за счет рационального расположения ферромагнитных сердечников и размещения обмоток на них значительно уменьшен расход проводникового материала (приблизительно в 2 раза), а дополнительная .индуктивность обеспечивается за счет увеличенного рассеяния обмотки колебательного контура, причем индуктивность рассеяния может регулироваться.

Работа ПДЧ в качестве ИКТ компенсированных сетей отличается от работы силового ПДЧ. Это отличие состоит в том, что в нормальном режиме работы сети ПДЧ нагружен на сумму сопротивлений нулевой последовательности и дугогасящей катушки, имеющей на частоте 25 гц емкостный характер, а при замыкании на землю — на индуктивное сопротивление ДГК. Соотношение этих сопротивлений на частоте 25 гц при полной компенсации емкостных токов сети равно 3: 1. Кроме того, известно, что при работе ПДЧ на емкостную нагрузку напряжение на его выходе несколько повышается в зависимости от режима насыщения сердечников (при меньшем насыщении — больше). Поэтому рассматривая ПДЧ как ИКТ, необходимо, прежде всего, знать его внешние характеристики при работе на индуктивную нагрузку.

На ¡рис. 2а и б приведены зависимости в относительных единицах и(Ь)вых* (5*) И и(Ь)вых (125*) при работе на индуктивную нагрузку, где

и(Ь)вых* — напряжение на выходе ПДЧ, —отдаваемая мощность, 1г5 *—ток в индуктивной нагрузке.

За базисные величины приняты: напряжение на выходе ПДЧ на Холостом ходу ивыххх, полная мощность колебательного контура на холостом ходу 5К. За базисную величину тока принят ток, соответствующий максимальной отдаваемой мощности 5тах *

На рис. 2 приведена также зависимость Ьб* (Й*).

Рассматривая зависимости рие. 2, можно заключить:

1. Максимальная отдаваемая мощность ПДЧ 5тах * значительно

где

со —

Сэ-

Из

(О

ц*

0.6 0,4

02

О ооч 001 012 016 о 0.2 0,6 09 iß

а 8

Рис. 2

меньше мощности, циркулирующей в колебательном контуре.

2. Известной жесткости внешних характеристик параметрических генераторов при работе на активную нагрузку не наблюдается. Характеристики при работе на индуктивную нагрузку обладают значительным коэффициентом статизма.

3. Характеристики могут быть разбиты на две части: I часть — от холостого хода до максимальной отдаваемой мощности — рабочая часть, II часть — от максимальной мощности и далее в область меньших индуктивных сопротивлений — нерабочая часть.

При работе ПДЧ на нерабочей части внешних характеристик он обладает неустойчивостью, заключающейся в том, что при исчезновении и повторном восстановлении напряжения возбуждения процессы деления частоты не восстанавливаются. Кроме того, при работе на этой части харак!еристик выходное напряжение ПДЧ много меньше напряжения на холостом ходу.

Учитывая эти обстоятельства, работа ПДЧ в качестве ИКТ для защиты может быть допущена только на рабочей части характеристик.

Согласно проведенным экспериментальным исследованиям отдаваемая мощность должна приниматься не выше 0,9 от максимальной отдаваемой мощности. Этот коэффициент обозначим через kv и назовем коэффициентом устойчивости параметрических колебаний при исчезновении и повторном восстановлении напряжения возбуждения.

Большой интерес при использовании ПДЧ в качестве ИКТ для защиты компенсированных сетей представляют зависимости выходного напряжения и тока 25 гц, протекающего по индуктивному сопротивлению, на которое нагружен ПДЧ от тока 50 гц, пропускаемого по выходным обмоткам ПДЧ.

Именно в таких условиях работает ПДЧ при замыкании на землю в компенсированной сети.

На \р.и1с. За и б представлены зависимости в относительных единицах и^)аых<с (I50*) и bf* (Iso*). За базисную величину тока 50 гц принят ток дугогасящей катушки Братской ГЭС, приведенный к параметрам испытываемой модели ПДЧ. Цифры над кривыми означают величину коэффициента устойчивости ку. Кривые, показанные на рис. За и б, позволяют заключить, что зависимости U(L) ВЫХ!* О5о*) и Is5*{l5o*), характеризующие устойчивость колебаний 25 гц при про-

Вис. 3

текании через ПДЧ тока 50 гц, обладают достаточной жесткостью в пределах дс 1бо* = 2. Это достигнуто благодаря включению в цепь колебательного контура дополнительной индуктивности Ьд. При отсутствии в схеме ПДЧ Ьд колебания 25 гц практически пропадают при Ï5o*<0,5.

Построенные зависимости позволяют по принятой отдаваемой мощности ПДЧ на индуктивную нагрузку рассчитать необходимую мощность, циркулирующую в колебательном контуре на холостом ходу, а по ней рассчитать требуемые параметры ПДЧ.

Таким образом, расчет ПДЧ следует на^ййать с определения отдаваемой мощности.

1. В общем случае отдаваемая мощность ПДЧ должна быть рассчитана исходя из двух условий: 1) требуемого контрольного тока при замыкании на землю в сети Il2s; 2) требуемого контрольного тока в нормальном режиме работы сети 1с 25.

Sl = Uiïx « • ивых хх Ilî5i

Se = Ubhx * e UBbixxxïc25î

гДе UBbIX хх—выходное напряжение в вольтах на холостом ходу;

Sl—отдаваемая мощность в ва при замыкании в сети;

Se—отдаваемая мощность в ва в нормальном режиме работы сети;

и(Ь)вых*—выходное напряжение в относительных единицах при работе ПДЧ на индуктивную нагрузку;

иСвых* — выходное напряжение в относительных единицах при работе ПДЧ на емкостное сопротивление.

Мощности Sl и Se могут быть также определены из выражений:

Sl = Pl«-XL,

Sc = I2c25 • хс,

где Xl—сопротивление дугогасящей катушки на частоте 25 гц\

Хс — сумма сопротивлений нулевой последввательностй сети и ДГК йа частоте 25 гц.

Как ранее отмечалось, Хс носит емкЬстйЫй Xàp'aKxep Й при полной компенсации емкостного тока сети Хс = 3Xl. Принимая это во внимание, определим отдаваемую мощность ПДЧ при замыкании в сети S'l если задана отдаваемая мощность Se в нормальном режиме работы

сети. Для этого произведем преобразования. Из (4) ивых хх = = Бс / и°Вых* * 1с25- По закону Ома 1ь25 = иьвых* • ивых хх / ; 1с2о = = исВЬ1Х^-ВЫХхх/ЗХь. Подставляя полученные формулы в (2), получим

тр

^ вых

В (7) Эс определяется по (6), 1>вых* = иьвЫХ*(куЗтах*) по зависимости на рис. 2, а. \ЗсВых* должна определяться в общем слу* чае по зависимости исвых* (Э*). Однако принимая во внимание (7), а также, как отмечалось ранее, возрастающий характер этой зависимости с увеличением Б*, можно принимать исвых* =1, что пойдет в запас устойчивости работы ПДЧ на индуктивную нагрузку при исчезновении и повторном восстановлении напряжения возбуждения.

Таким образом, отдаваемая мощность ПДЧ при задании контрольных токов в нормальном режиме работы сети и при замыкании должна определяться из выражений (5) и (7). Большая величина должна быть принята за расчетную отдаваемую мощность 5расч.

2. Мощность, циркулирующая в колебательном контуре, равна

_ 5расч

Кустах*

3. Задаемся емкостью конденсатора ПДЧ С и определяем эквивалентную емкость Сэ по (2).

4. Определяются сопротивления Сэ и С на частоте 25 гц

Хсэ ,

Х(с0), а также сопротивление С на частоте 50 гц Х^.

5. Ток в колебательном контуре

1К25 ^5).

Sk

X .

6. Напряжение с частотой 25 гц на ветви намагничивания

ик25 = -^-.

*К 25

7. Коэффициент трансформации между контурной и выходной обмотками:

* =

ивых XX

где

ив£

Ußbix хх = ~'

ивыхДКу • отах

и(ых* (kysmax*) определяется по Ubnx* (S^),

^вых — Spac4w' lL25 расч^

В (13) ц25расч = Il25 при SpaC4 = Sl. При SpaC4 = S'l

lL25pac4=l/

/т

8. Определяется ток 50 гц, протекающий в колебательном контуре при условии, что общая индуктивность рассеяния и емкость С настроены в резонанс на частоте 50 гц:

1к.-,0 4-'

где 1Дпк — ток дугогасящей катушки. 72

9. Определяется амплитуда максимального напряжения на конденсаторе:

итс = 1/2~ [1К5оХс<ЭД + 1К25ХС

10. Задается средняя силовая линия сердечников ПДЧ и производится расчет активного сечения ферромагнитного материала и чисел витков, контурных и выходных обмоток. В основу расчета положены три формулы:

Ьсрн^ср^кЧЛср;

где

СРН~ шСэ

Ьсрн—средняя индуктивность ветви намагничивания ПДЧ;

М<ср~~ средняя магнитная проницаемость ферромагнитного материала при работе ПДЧ на холостом ходу; q — суммарное активное сечение обоих сердечников;

1ср—средняя силовая линия сердечников;

В25 — действующее значение индукции с частотой 25 гц; — число витков контурных обмоток; (о — частота промышленного тока.

Из (19) определяется

Ьсрн = 4/о)2Сэ.

Подставляя (18) и (20) в (17) и произведя преобразования, получим

= 21срВ25 • (21) шСэ{Асрик25

Величина |аСр и В25 в (21) определяются эмпирическим путем посредством расчета их по выражениям (17) и (18) для находящихся в эксплуатации ПДЧ. Для ПДЧ, выполненных из стали Э310, на' рис. 4 дана зависимость В25 (цср) - Наклон кривой зависит от марки стали и качества технологии изготовления сердечников.

С улучшением качества изготовления сердечников наклон кривой уменьшается.

&25 ч

А Чс,«!'1

о 0$ /г За

* ' /у

Рис. 4.

Для расчетов ПДЧ со сталью Э310 можно рекомендовать В25 в пределах 1,1-т-1,3 тл.

После определения определяется суммарное активное сечение по (18) и число витков выходных обмоток:

W

WK

БЫХ

11. Определяется число витков обмоток возбуждения. Из-за сложности вывода даем конечные формулы:

в„ =

ю*/4 • qWK2 Сэг (-L+ 0,5

1срГ

1

2к

1 —к

W,

2 U,

qu>B,

MBf В„

где

В[Н — амплитуда индукции на грани возбуждения ПДЧ; к и |1 — коэффициенты с^ёггеййой аяйроксимации кривой намагничивания сердечника р = Г — гамма-функция; ит—амплитуда напряжения возбуждения,

Bf—значение иодукции в нижней точке пересечения кривой намагничивания с ее степенной аппроксимацией. Коэффициенты и к определяются методом выбранных точек на основной кривой намагничивания.

Использование (23), (24) дает заниженное количество витков обмоток возбуждения на 15--г30%.

По описанной методике рассчитано несколько вариантов ПДЧ для защиты от замыканий на землю гидрогенераторов Братской ГЭС. По одному из вариантов изготовлен ПДЧ. Испытания показали хорошее совпадение расчетных и экспериментальных данных.

Выводы

1. На основании схемы замещения проанализированы режимы работы ПДЧ при использовании его в качестве ИКТ для защиты компенсированных сетей от замыкания на землю.

2. Предложена схема ПДЧ, позволяющая истгользовагь tro в условиях ИКТ.

3. Разработаны конструкции ПДЧ с уменьшенным расходом проводникового материала.

4. Предложена методика инженерного расчета ПДЧ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Сигнализация замьшанйй на землю в компенсированных сетях. Сборник статей под (редакцией шт. В. Й. Иоэльсона, ГЭИ, 1962.

2. Р. А. В айн штейн, А. В. Шмой лов, Применение низкочастотного индуктивного лара|метрон& без подмагничивания постоянным током в защитах от замыкания на землю в сетях с компенсированной и изолированной нейтралями. Известия ТЛИ, т. 152, 1966.

3. Р. А. Вай-нштейн. Применение низкочастотных параметрических систем для защиты от замыканий на землю компенсированных сетей. Диссертация, г. Томск, 1965.

4. Р. А. Вайнштейн. Авторские свидетельства №№ 177958, 178862.