СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО КОММУТАЦИОННОГО АППАРАТА
METHOD AND DEVICE OF SWITCH TORQUE DETERMINATION IN ELECTRIC SWITCHING DEVICE

Изобретение относится к способу и устройству для определения момента коммутации электрического коммутационного аппарата с размыкающим промежутком, который расположен между нагруженным питающим напряжением первым участком линии и вторым участком линии, образующим после процесса выключения коммутационного аппарата колебательный контур.
Из статьи "Analysis of Power System Transients Using Wavelets and Prony Method", Lobos, Т., Rezmer, J., Koglin, H.-J., Power Tech Proceedings, 2001 IEEE Porto, 10-13 сентября 2001 следует, что качеству напряжения в сети передачи электроэнергии придается возрастающее значение. Форма волны переменного напряжения идеальным образом должна быть синусоидальной и колебаться с заданной частотой и амплитудой. За счет индуктивных и/или емкостных элементов, однако, в процессе коммутации могут появляться переходные перенапряжения. Подобные переходные перенапряжения накладываются на номинальную частоту и номинальную амплитуду и искажают желаемую характеристику напряжения.
Коммутационные операции часто являются инициирующим явлением для возникновения перенапряжений.
В основе изобретения поэтому лежит задача указания способа и устройства для определения момента коммутации, с помощью которых ограничивают появление переходных перенапряжений или, соответственно, колебательных явлений в сети передачи электроэнергии.
В способе выше названного вида задача согласно изобретению решается за счет того, что определяют временную характеристику питающего напряжения после процесса выключения электрического коммутационного аппарата, определяют временную характеристику колебательного напряжения, появляющегося в колебательном контуре после процесса выключения электрического коммутационного аппарата, определяют временную характеристику результирующего напряжения, которое соответствует разнице из питающего напряжения и колебательного напряжения, и оценивают по крайней мере одно нарастание питающего напряжения и по крайней мере одно нарастание колебательного напряжения и в зависимости от нарастаний и временной характеристики результирующего напряжения устанавливают момент коммутации.
Далее задача согласно изобретению решается также за счет того, что определяют временную характеристику питающего напряжения после процесса выключения электрического коммутационного аппарата, определяют временную характеристику колебательного напряжения, появляющегося в колебательном контуре после процесса выключения электрического коммутационного аппарата, определяют временную характеристику текущего в колебательном контуре после процесса выключения электрического коммутационного аппарата колебательного тока, определяют временную характеристику результирующего напряжения, которое соответствует разнице из питающего напряжения и колебательного напряжения, оценивают по крайней мере одно нарастание питающего напряжения и по крайней мере одну полярность колебательного тока и в зависимости от по крайней мере одного нарастания питающего напряжения и по крайней мере одной полярности колебательного тока и временной характеристики результирующего напряжения устанавливают момент коммутации.
Устанавливающееся результирующее напряжение вследствие содержащихся в колебательном контуре компонентов, как катушки и конденсаторы, может иметь значительно более высокие амплитуды напряжения, чем питающее напряжение. Это объясняется, в частности, тем, что индуктвности и емкости являются накопительными элементами, которые вызывают временные задержки. При неблагоприятных комбинациях это может приводить к значительным превышениям пиковых значений. Эти высокие пики напряжения действуют негативно на систему изоляции. Так, изоляция диэлектрически нагружается сильнее, чем при расчетных условиях. Это имеет следствием более быстрое старение изоляции. В частности, на участках линий с твердой изоляцией, как кабели, это может приводить к ухудшению продолжительности службы. В экстремальных случаях пики напряжения могут быть настолько высокими, что на линиях возникают пробои. Эти пробои могут проявляться, например, в виде частичных разрядов или пробоев на удерживающих изоляторах воздушноизолированных дальних линий электропередачи. Особенно негативными являются подобные явления, однако, в изолирующих системах с твердой изоляцией, как кабели, так как там могут образовываться неустранимые повреждения. Временная характеристика результирующего напряжения поэтому является существенным критерием для установления момента коммутации электрического коммутационного аппарата. Дополнительно выбор момента коммутации можно оптимировать таким образом, что учитывают нарастания, то есть градиент крутизны питающего напряжения, а также градиент крутизны колебательного напряжения, образующегося в колебательном контуре. При этом соответственно к определенному моменту времени рассматривают характеристику результирующего напряжения и к тому же самому моменту времени оценивают характеристику колебательного напряжения или, соответственно, питающего напряжения. В зависимости от нарастаний питающего напряжения или, соответственно, колебательного напряжения и временной характеристики результирующего напряжения можно устанавливать момент коммутации, в который появление перенапряжений ограничивается особенно эффективно. Наряду с оценкой нарастаний питающего напряжения и колебательного напряжения принципиально является также возможным использовать нарастание (градиент крутизны) питающего напряжения и полярность колебательного тока в качестве критериев выбора для установления момента коммутации в характеристике результирующего напряжения. Это является возможным потому, что в зависимости от устанавливающегося в колебательном контуре полного сопротивления колебательный ток и питающее его колебательное напряжение связаны друг с другом через уравнения
; .
Для определения временных характеристик питающего напряжения, колебательного напряжения, а также результирующего напряжения или, соответственно, колебательного тока могут использоваться различные способы. Так, например, может быть предусмотрено располагать соответственно в первом участке линии и во втором участке линии измерительные устройства, чтобы определять временную характеристику необходимых параметров. Для этого на соответствующих участках линии могут быть использованы, например, преобразователи тока и напряжения. Для ограничения количества преобразователей тока или, соответственно, напряжения могут также находить применение только отдельные преобразователи и из данных преобразователей соответственно вычисляться отсутствующие характеристики тока или, соответственно, напряжения.
В соответственно снабженной оборудованием установке можно таким образом производить в режиме реального времени сбор данных и определять соответствующие характеристики напряжения/тока и устанавливать момент коммутации. Нарастание характеристик напряжения можно, например, определять с помощью дифференцирования временной характеристики в соответствующий интересующий момент времени. Посредством электронных устройств обработки данных в течение кратчайшего времени можно определить первую производную почти в любой момент времени и таким образом определить нарастание питающего напряжения или, соответственно, колебательного напряжения. При этом может быть предусмотрено соответственно количественное определение нарастания и тем самым легкое определение тенденций в характеристике нарастания от одного временного промежутка к следующему. Однако можно также предусматривать исключительно качественную оценку нарастания, то есть имеется ли положительное или отрицательное нарастание или, соответственно, превышены или занижены определенные граничные значения. Полярность тока также является оцениваемой относительно ее величины, что означает, можно производить определение значения колебательного тока по абсолютной величине и положению фазы. Кроме того, может быть предусмотрено делать только высказывание, имеет ли колебательный ток в определенные моменты времени положительное или отрицательное значение.
Предпочтительная форма выполнения изобретения может предусматривать, кроме того, что момент коммутации лежит в окрестности прохождения через нуль результирующего напряжения.
В промышленных установках в качестве питающего напряжения часто применяют переменное напряжение или несколько переменных напряжений, которые в общей системе являются сдвинутыми по фазе относительно друг друга. Системы с несколькими переменными напряжениями, находящимися в зависимости друг относительно друга, называются также многофазными системами переменного напряжения. Подаваемое на первый участок линии питающее напряжение обычно имеет постоянную частоту. В промышленности предпочтительно применяют 16 2/3 Гц, 50 Гц, 60 Гц, а также другие диапазоны частот. Вследствие явлений наложения в колебательном контуре, вызванных за счет содержащихся там накопительных звеньев или, соответственно, звеньев временной задержки, колебательное напряжение может иметь отличающуюся частоту, а также отличающиеся пиковые абсолютные значения по сравнению с питающим напряжением. В области прохождения через нуль результирующего напряжения можно соответственно предполагать наименьшие перенапряжения в процессе коммутации. Поэтому прохождения через нуль результирующего напряжения выбирают в качестве предпочтительных моментов коммутации.
Предпочтительным образом может быть далее предусмотрено, что для момента коммутации выбирают окрестность прохождения через нуль результирующего напряжения, на котором питающее напряжение и колебательное напряжение имеют нарастание с одинаковым направлением.
Дальнейшая предпочтительная форма выполнения может предусматривать, что для момента коммутации выбирают окрестность прохождения через нуль результирующего напряжения, на котором питающее напряжение имеет отрицательное нарастание и колебательный ток положительную полярность или питающее напряжение имеет положительное нарастание и колебательный ток отрицательную полярность.
Результирующее напряжение имеет сравнительно большое количество прохождений напряжения через нуль. При этом оказалось, что некоторые из этих прохождений напряжения через нуль представляют собой более благоприятный момент коммутации, чем другие. Критерий для выбора самых подходящих прохождений напряжения через нуль для результирующего напряжения представляют собой нарастания питающих напряжений, а также нарастания колебательных напряжений. Если нарастания питающего напряжения, а также колебательного напряжения на прохождении через нуль результирующего напряжения имеют одинаковое направление, то это прохождение через нуль является особенно пригодным в качестве момента коммутации. При этом одинаковые нарастания обозначают, что питающее напряжение, а также колебательное напряжение имеют соответственно положительное нарастание или соответственно отрицательное нарастание. Кроме того, в оценку можно вовлекать также численную величину нарастания и за счет этого производить более точное установление момента коммутации.
Так как в колебательном контуре колебательное напряжение и питаемый колебательным напряжением колебательный ток находятся в соотношении друг с другом и могут быть преобразованы друг в друга вычислительным путем, вместо оценки нарастаний колебательного напряжения возможной является также оценка полярности колебательного тока. Особенно благоприятным моментом времени коммутации является прохождение через нуль результирующего напряжения, на котором питающее напряжение имеет отрицательное нарастание, а колебательный ток имеет положительную полярность или на котором питающее напряжение имеет положительное нарастание и колебательный ток имеет отрицательную полярность. При изменении оценки от колебательных напряжений на колебательный ток следует переходить к оценке полярности, так как вследствие содержащихся в колебательном контуре индуктивностей или, соответственно, емкостей вызывается сдвиг приблизительно на 90 градусов между характеристиками тока и напряжения внутри системы переменного напряжения.
Следующая предпочтительная форма выполнения может предусматривать, что колебательный ток течет через компенсирующий дроссель.
В сетях передачи электроэнергии использованы, например, воздушные линии электропередачи. Между находящейся под высоким напряжением воздушной линией электропередачи и имеющимся под воздушной линией электропередачи потенциалом Земли образуется конденсаторное устройство. За счет этого воздушная линия электропередачи может действовать как конденсатор и вносить в воздушную линию электропередачи соответствующую зарядную мощность. Для ограничения этой зарядной мощности по ходу воздушной линии электропередачи можно устанавливать так называемые компенсирующие дроссели. Эти компенсирующие дроссели являются катушками, которые имеют соответствующую индуктивность и которые компенсируют созданную воздушной линией электропередачи емкостную нагрузку. Эти дроссели могут быть выполнены различным образом, так, они могут, например, при необходимости быть переключаемыми относительно Земли или быть изменяемыми по своей индуктивности. Предпочтительным образом подключаемые дроссели применяют в начале, а также в конце воздушной линии электропередачи. Альтернативно подобные сложившиеся обстоятельства могут появляться также в подземных кабельных сетях, в которых между электрической жилой и кабельной оболочкой образуется соответствующее емкостное сопротивление на единицу длины линии. Компенсирующими дросселями определяется и величина колебательного тока во втором участке линии. Вследствие реально имеющихся схемных компонентов и имеющегося вследствие примененного проводникового материала омического сопротивления это появляются резистивные потери, потери на перемагничивание и т.д., так что колебательный ток или, соответственно, колебательное напряжение во втором участке линии затухает.
Следующий предпочтительный вариант выполнения может предусматривать, что временную характеристику колебательного напряжения и/или колебательного тока определяют посредством метода Прони.
Во включенном коммутационном аппарате размыкающий промежуток является замкнутым. Первый участок линии с питающим напряжением подает ток во второй участок линии. Питающее напряжение вырабатывают, например, посредством генератора на электростанции. Вследствие прилагаемого питающего напряжения оно распространяется также во втором участке линии. Во втором участке линии обычно подключены потребители. Это могут быть, например, двигатели, нагревательные приборы или также комплектные участки сети, как промышленные потребители или большое количество бытовых потребителей электроэнергии. После процесса выключения питающее напряжение все еще имеется только в первом участке линии, так как размыкающий промежуток является открытым и питающее напряжение больше не может распространяться во втором участке линии. В первом участке линии находятся обычно энерговырабатывающие устройства, например, питающие сети электроснабжения с соответствующими генераторами или, соответственно, электростанциями. Во втором участке сети соответственно сложившимся обстоятельствам с омическими, индуктивными или, соответственно, емкостными составляющими вследствие мгновенного отключения размыкающего промежутка и связанных с этим временных изменений устанавливается колебательное напряжение, возбуждающее колебательный ток. Определение временной характеристики питающего напряжения при этом является относительно простым, так как можно исходить из сети неизменного напряжения, при которой питающее напряжение является определяющей величиной, которая остается приблизительно постоянной. Более проблематично складывается определение характеристики колебательного тока или, соответственно, колебательного напряжения в колебательном контуре. Для того чтобы иметь соответствующую временную характеристику, является желательным из определенных внутри короткого интервала измеренных значений определить надежное предсказание характеристики для одного или нескольких лежащих в будущем интервалов. Для этого можно использовать, например, метод Прони.
По сравнению с другими методами, например, преобразованием Лапласа метод Прони дает преимущество, из небольшого количества измеренных значений сделать возможным сравнительно точное предсказание следующих характеристик напряжения или, соответственно, тока.
Метод Прони является особенно пригодным для реализации управляемой коммутации, так как по сравнению с преобразованием Фурье промежуток времени опроса имеющихся данных напряжения и/или тока является независимым от ожидаемого основного колебания. Кроме того, при применении метода Прони является возможным произвольное определение сдвига фаз и затухания отдельных частотных составляющих. Для применения метода Прони вначале следует определить имеющие место данные напряжения и/или тока в различные моменты времени в электрической сети. Для этого исходят из N комплексных точек данных x[1],…x[N] любого синусообразного или экспоненциально затухающего события. Эти точки данных должны быть эквидистантными точками данных. Этот опрошенный процесс может быть описан с помощью суммирования р экспоненциальных функций
причем
T - период опроса в с;
k
A - амплитуда комплексной экспоненты;
k
-1
α - коэффициент затухания в с;
k
f - частота синусоидального колебания в Гц;
k
θ - сдвиг фаз в радианах.
В случае реально опрошенной характеристики комплексные экспоненты распадаются на сопряженно комплексные пары с одинаковой амплитудой. Это приводит уравнение (2.1) к
для 1≤n≤N. Если число экспоненциальных функций p является четным, тогда имеют место p/2 затухающих косинусоидальных функций. Если число экспоненциальных функций p является нечетным, тогда существуют (p-1)/2 затухающих косинусоидальных функций и очень слабо затухающая экспоненциальная функция. Более простое представление уравнения (2.1) получают посредством объединения параметров на зависимые от времени и независимые от времени:
k
k
Параметр h является комплексной амплитудой и представляет собой независимую от времени постоянную. Комплексная экспонента z является зависимым от времени параметром.
Чтобы иметь возможность моделировать реальный процесс с помощью суммирования, необходимо минимизировать среднюю квадратичную ошибку p по N опрошенным точкам данных:
k
k
Эта минимизация происходит с учетом параметров h, z и p. Это приводит к сложной нелинейной проблеме, даже если число p экспоненциальных функций является известным [сравни Marple, Lawrence: Digital Spectral Analysis. London: Prentice-Hall International, 1987]. Одной возможностью был бы итеративный способ решения (способ Ньютона). Это, конечно, предполагало бы большие вычислительные возможности, поскольку часто должны инвертироваться матрицы, которые часто являются больше, чем число точек данных. Для эффективного решения этой проблемы служит метод Прони, который использует для решения линейные уравнения. При этом методе нелинейный аспект экспоненциальных функций учитывают с помощью полиномиальной факторизации. Для этого вида факторизации существуют быстрые алгоритмы решения.
Метод Прони
Для аппроксимации характеристики является необходимым собрать так много точек данных, чтобы однозначно определить параметры. Это означает, что соответственно требуются по крайней мере х[1],…, х[2р] комплексных точек данных:
k
k
Следует учесть, что было использовано х[n] вместо y[n]. Это происходит, поскольку требуются точно 2p комплексных точек данных, которые соответствуют экспоненциальной модели с 2p комплексных параметров h и z. Эта зависимость выражена в уравнении (2.6) путем минимизации квадратичной ошибки.
В уравнении (2.8) представлена цель алгоритма Прони. Подробное представление уравнения для 1≤n≤p представлено в уравнении (2.9):
В случае известности элементов z внутри матрицы получается количество линейных уравнений, с помощью которых можно вычислить комплексный вектор амплитуды h.
В качестве исходной идеи способа решения исходят из того, что уравнение (2.8) является решением однородного линейного уравнения в конечных разностях с постоянными коэффициентами. Чтобы найти соответствующее уравнение для решения, сначала определяют полином ϕ(z) степени p:
Подлежащий определению параметр z указывает нулевые точки полинома.
Представление полинома в качестве суммы происходит с помощью основной теоремы алгебры (Уравн. 2.11). Коэффициент а[m] является комплексным и определяется как a[0]=1
С помощью сдвига индекса уравнения (2.8) от n к n-m и умножения с параметром а[m] получают
Если образуют простые произведения (а[0]х[n],…, а[m-1]х[n-m+1]) и их суммируют, то из уравнения (2.12) получают
Посредством преобразования правой стороны уравнения (2.13) получается
Путем подстановки  получают
k
В правой части суммы снова узнают полином из уравнения (2.11). Путем определения всех корней z получают искомые нулевые точки. Уравнение (2.15) является искомым линейным уравнением в конечных разностях, решением которого является уравнение (2.8). Полином (2.11) является характеристическим уравнением к уравнению в конечных разностях.
p уравнения представляют собой допустимые значения для а[m], которые решают уравнение (2.15).
В уравнении (2.16) существуют р неизвестных. Матрица х состоит из p+1 строк и столбцов. Уравнение (2.16) является таким образом переопределенным. Чтобы получить вектор решения, верхнюю строчку матрицы х, и тем самым также известный коэффициент а [0], вычеркивают и вычитают первый столбец.
С помощью p уравнений могут быть определены p неизвестных.
Так метод Прони может быть обобщен в трех шагах. Решение уравнения (2.17) ⇒ получение коэффициентов полинома (2.11)
k
Вычисление корней полинома уравнения (2.11) ⇒ получение зависящего от времени параметра z из уравнения (2.8) ⇒ вычисление затухания и частоты из z
Составление уравнения (2.9) ⇒ решение по h ⇒ Вычисление амплитуды и смещения фаз
k
k
Для оценки будущей временной характеристики не является необходимым определение отдельных параметров. "Предварительный просмотр" дальнейшего прохождения входного сигнала также является возможным с помощью параметров z и hуравнения (2.8) и изменения переменной n, которая отражает подлежащий оценке промежуток времени. При изменении величины временного шага оценки по сравнению с опросом, однако, должны определяться параметры затухание, частота, амплитуда и смещение фаз.
Дальнейшим премуществом метода Прони для анализа характеристик тока и/или напряжения является то, что он является применимым также для более высокочастотных процессов. Под более высокочастотными процессами следует понимать процессы, которые колеблются в диапазоне 100-700 Гц. Дипазон промышленных частот охватывает частоты между 24 и 100 Гц. Под 24 Гц следует понимать низкие частоты. Высокочастотные процессы возникают, например, при переключении коммутационных аппаратов. Высокочастотные составляющие накладываются на основное колебание.
Далее предпочтительным образом может быть предусмотрено, что для переработки определенных данных напряжения и/или тока применяют модифицированный метод Прони.
Модифицированный метод Прони имеет сходство с принципом максимума правдоподобия (Гауссовский принцип наименьших квадратов). При вычислении исходят из постоянного p (число экспоненциальных функций, смотри выше). Во время вычисления осуществляют итерационный способ, за счет чего оптимизируется точность подлежащих предварительному определению характеристик напряжения и/или тока. За счет установления границ допуска для оптимизации можно изменять степень точности предварительного определения. При необходимости за счет этого можно уменьшать необходимое время вычислений. Модифицированный метод Прони подробно представлен в публикации Osborne, Smyth: A modified Prony Algorithm for fitting functions defined by difference equations, SIAM Journal of Scientific and Statistical Computing, том 12, 362-382, март 1991. Модифицированный метод Прони является нечувствительным относительно "шума" определенных из электрической энергосети данных напряжения и/или тока. Подобный "шум" является неизбежным при применении реальных компонентов для получения данных напряжения и/или тока. Подобные помехи могут быть минимизированы только с несоразмерно высокими затратами. За счет нечувствительности входных сигналов относительно "шума" при применении модифицированного метода Прони возможно использование более экономичных с точки зрения затрат измерительных приборов для определения имеющих место данных напряжения и/или тока в электрической сети.
Может быть предусмотрено предусматривать устройство для осуществления описанного выше способа, которое содержит средства для автоматизированной обработки данных напряжения и/или тока с применением метода Прони.
Так как рассмотренные процессы происходят в интервалах нескольких миллисекунд, устройство со средствами для автоматизированной обработки данных напряжения и/или тока оказывается предпочтительным. Чтобы производить эту автоматизированную обработку особенно быстро, может быть предусмотрено, что средства для автоматизированной обработки выполнены с программируемым схемным монтажом. Подобные схемы являются известными как специализированные интегральные схемы (ASIC). Если однако в распоряжении имеются достаточно быстрые средства автоматизированной обработки, то они могут быть выполнены с программируемой памятью. Подобные средства с программируемой памятью для автоматизированной обработки можно приспосабливать простым образом к изменяющимся краевым условиям за счет новых программирований.
Следующая предпочтительная форма выполнения может предусматривать, что приложенное на размыкающем промежутке после процесса выключения напряжение соответствует результирующему напряжению.
Размыкающий промежуток должен вызывать в процессе включения или, соответственно, выключения возможно быстрое изменение полного сопротивления от идеальным образом бесконечно большого полного сопротивления до бесконечно малого полного сопротивления или, соответственно, наоборот. Идеальным образом это должно происходить скачкообразно. В настоящих технических системах это однако не так. В области высокого напряжения используются коммутационные элементы с подвижными относительно друг друга контакт-деталями, которые находятся внутри изоляционного газа. Этот изоляционный газ является предпочтительно шестифтористой серой, которая находится при повышенном давлении. В процессе включения, например, уже перед непосредственным касанием подвижных относительно друг друга контакт-деталей возникает предварительный пробой. В процессе выключения после гашения электрической дуги выключения, которая может устанавливаться после физического разъединения подвижных относительно друг друга контакт-деталей, требуется известное время для восстановления электрической прочности, в которое образующийся в растворе контактов загрязненный дугогасительный газ удаляют из раствора контактов и заменяют незараженным изолирующим газом.
Результирующее напряжение, которое образуется на размыкающем промежутке получается из приложенного на одной стороне размыкающего промежутка питающего напряжения и из приложенного на другой стороне размыкающего промежутка колебательного напряжения. Так как, как обсуждалось выше, при появлении колебательных процессов в колебательном контуре возникают временные задержки, на размыкающем промежутке могут появляться значительно более высокие абсолютные значения напряжения, чем это можно предполагать из знания расчётного напряжения питающего напряжения. Поэтому результирующее напряжение, которое устанавливается на размыкающем промежутке электрического коммутационного аппарата, представляет собой существенную величину, которая служит для установления момента коммутации электрического коммутационного аппарата. Также перенапряжение должно надежно выдерживаться электрическим коммутационным аппаратом.
Предпочтительным образом при этом далее может быть предусмотрено, что при определении момента коммутации учитывают характеристику предварительного пробоя коммутационного аппарата.
Наряду с установлением предпочтительного момента коммутации следует учитывать, что реальные коммутационные аппараты имеют характеристику предварительного пробоя. Еще до того, как происходит касание двух подвижных относительно друг друга контакт-деталей, лежащая между контакт-деталями изолирующая среда уже пробивается электрической дугой. Каким образом силовой выключатель склонен к предварительному пробою, зависит от конструкции и от хода контактов коммутационного аппарата. Идеальным образом этот предварительный пробой не должен иметь места, то есть в нацеленно управляемый момент контактирования происходит механическое контактирование контакт-деталей и замыкание токовой цепи. Это идеальное представление на практике, однако, не может быть достигнуто так, что для каждого коммутационного аппарата существует так называемая характеристика предварительного пробоя. Она имеет известную крутизну и при известных обстоятельствах позволяет распознать точку пересечения между характеристикой пробоя и характеристикой напряжения. В этот момент времени предварительный пробой происходит также в случае еще не находящихся в непосредственном соединении контакт-деталей.
Дальнейшая предпочтительная форма выполнения может предусматривать, что при прогрессирующем затухании колебательного напряжения и/или колебательного тока момент коммутации устанавливают в окрестности любого прохождения через нуль результирующего напряжения.
Вследствие содержащихся в колебательном контуре реальных схемных элементов, как конденсаторы, катушки и омические сопротивления, происходит затухание колебательного напряжения или, соответственно, колебательного тока в колебательном контуре. Если затухание является настолько сильным, что имеющее смысл определение с помощью измерительной техники больше не является возможным, то можно отказаться от оценки нарастаний колебательного напряжения, или, соответственно, питающего напряжения, или, соответственно, полярности колебательного тока. Для обеспечения возможно быстрой коммутации тогда ориентируются только на прохождения через нуль результирующего напряжения и переключают при ближайшем возможном прохождении через нуль результирующего напряжения. При прогрессирующем затухании колебательного напряжения и/или колебательного тока последствиями превышения напряжения на размыкающем промежутке электрического коммутационного аппарата можно пренебречь.
Далее может быть предпочтительным образом предусмотрено, что момент коммутации используют для процесса включения электрического коммутационного аппарата.
В сетях передачи электроэнергии применены так называемые устройства защиты, которые в случае появившейся неисправности автоматически инициируют процесс выключения электрического коммутационного аппарата. Часто эти процессы выключения вызываются спорадически появляющимися неисправностями. Некоторые спорадически появляющиеся неисправности позволяют быстрое повторное включение. Типичная спорадическая неисправность имеет место, например, в области воздушных линий. Какой-либо предмет, например ветвь дерева, вызывает короткое замыкание на линии. Вызывающее короткое замыкание событие, однако, является только кратковременным так что, после устранения неисправности (воздушная изоляция между линиями и веткой снова восстановлена, событие короткого замыкания уже прошло) можно производить повторное включение линии. Подобные включения являются также известными как автоматические повторные включения (АПВ). Эти автоматические повторные включения производят в интервалы времени от 300 до порядка 500 мс, то есть после произошедшего выключения электрического коммутационного аппарата в течение времени максимально 300 (500) мс инициируют автоматическое повторное включение коммутационного аппарата. Вследствие сравнительно короткого интервала в пределах возникающего при этом колебательного контура могут образовываться высокие колебательные напряжения или, соответственно, колебательные токи. В частности, для автоматического повторного включения и, соответственно, включения коммутационного аппарата вскоре после произошедшего выключения имеет значение определение подходящего момента коммутации, чтобы избежать пробоев вследствие превышений напряжения на размыкающем промежутке электрического коммутационного аппарата. Ограничивающие перенапряжения сопротивления на электрическом коммутационном аппарате больше не являются необходимыми или, соответственно, могут выбираться с меньшими параметрами.
Изобретение далее относится также к устройству для осуществления названного вначале способа.
Изобретение ставит здесь перед собой задачу создания устройства, которое делает возможным выбор момента коммутации.
Согласно изобретению это решается в устройстве для осуществления способа согласно пунктам 1-11 формулы изобретения за счет того, что устройство содержит блок для сравнения нарастания питающего напряжения и колебательного напряжения и/или полярности колебательного тока.
Блок для сравнения нарастания питающего напряжения и колебательного напряжения или, соответственно, полярности колебательного тока позволяет простой выбор потенциальных моментов коммутации в прохождениях через нуль результирующего напряжения. Результатом подобного сравнения может быть, например, решение Да или Нет относительно допустимости процесса коммутации.
Примеры выполнения изобретения схематически представлены на Фигурах, а также более подробно описаны в последующем.
При этом показывают
Фигура 1 принципиальное представление характеристики напряжения с оптимальными моментами коммутации,
Фигура 2 схематическое построение сети передачи электроэнергии,
Фигура 3 характеристики двух различных результирующих напряжений,
Фигура 4 характеристику различных напряжений и токов,
Фигура 5 характеристику различных напряжений,
Фигура 6 показывает временной ход процесса для определения будущей характеристики напряжения/тока,
Фигура 7 показывает учет характеристики предварительного пробоя при емкостной нагрузке,
Фигура 8 показывает использование характеристики предварительного пробоя при индуктивной нагрузке размыкающего промежутка электрического коммутационного аппарата и
Фигура 9 блок для сравнения нарастаний характеристик напряжения.
Фигура 1 показывает в качестве примера синусоидальное прохождение переменного напряжения с частотой 50 Гц. Чтобы избежать возникновение перенапряжений, индуктивные нагрузки должны по возможности включаться соответственно в максимуме напряжения синусоидальной характеристики напряжения (моменты времени 5 мс, 15 мс). В противоположность этому емкостные нагрузки должны бы включаться во время прохождения напряжения через нуль, чтобы исключить процессы заряда на конденсаторе (моменты времени 0 мс, 10 мс, 20 мс).
В реальной сети передачи электроэнергии, однако, идеальное появление синусоидальных характеристик напряжения можно наблюдать только в исключительных случаях.
с
L
L
c
Lres
L
На Фигуре 2 представлено принципиальное построение участка линии внутри сети передачи электроэнергии. Электрический коммутационный аппарат имеет размыкающий промежуток 1. Размыкающий промежуток образован, например, из двух подвижных относительно друг друга контакт-деталей. Через размыкающий промежуток 1 первый участок линии 2, а также второй участок линии 3 могут соединяться друг с другом или, соответственно, раъединяться. Первый участок линии 2 содержит генератор 4. Генератор 4 поставляет питающее напряжение, которое является, например, переменным напряжением с частотой 50 Гц многофазной системы напряжений. Второй участок линии 3 содержит воздушную линию 5. Воздушная линия 5 на своем первом конце является соединяемой с первым дросселем 6 относительно потенциала Земли 7 и на своем втором конце через второй дроссель 8 относительно потенциала Земли 7. Дополнительно может быть также предусмотрено подключение следующего дросселя 9 ко второму дросселю 8. За счет различных коммутационных устройств 10 дроссели 6, 8, 9 в различных вариантах являются соединяемыми относительно потенциала Земли 7. Тем самым возможно в зависимости от ситуации нагрузки компенсировать воздушную линию в различной степени. Так, емкостное сопротивление Х воздушной линии может быть перекомпенсированным или также недокомпенсированным с помощью индуктивного сопротивления X(X=j·ω·L) дросселей. Через соотношение емкостного сопротивления X воздушной линии и индуктивного сопротивления X всех дросселей является определяемой степень компенсации k. Для установки степени компенсации k дроссели 6, 8, 9 являются подключаемыми относительно друг друга различным образом. Однако может быть также предусмотрено, что дроссели имеют регулируемое индуктивное сопротивление X. Для этого могут применяться, например, дроссели с втягивающимся сердечником.
Во втором участке линии 3 после открывания размыкающего промежутка 1 через потенциал Земли 7 может образовываться колебательный контур. Для образования колебательного контура во втором участке линии 3 относительно потенциала Земли 7 должны образовываться соответствующие цепи тока через коммутационные устройства 10. Через индуктивные и емкостные сопротивления образуется колебательный контур, и в колебательном контуре может течь колебательный ток, который питается колебательным напряжением.
На Фигуре 3 в качестве примера представлены образующиеся на размыкающем промежутке 1 результирующие характеристики напряжений при различных степенях компенсации. При компенсации k=0,8 устанавливается определенная частотная характеристика, которая содержит множество прохождений напряжения через нуль. Эта частотная характеристика имеет биение. При компенсации 0,3 устанавливается соответственно отклоняющаяся частотная характеристика, которая, однако, опять-таки содержит множество прохождений напряжения через нуль.
При применении соответствующего изобретению способа предусмотренные до сих пор для ограничения перенапряжений сопротивления включения могут быть уменьшены или, соответственно, от них можно полностью отказаться. Вследствие определения оптимального момента времени повторного включения таким образом могут быть достигнуты лучшие коммутационные результаты, то есть появляются меньшие переходные перенапряжения, чем в случае произвольно управляемого подключения электрического коммутационного аппарата с сопротивлениями включения.
Фигура 4 показывает оценку и установление момента коммутации электрического коммутационного аппарата при использовании питающего напряжения А, колебательного напряжения В, результирующего напряжения С, а также колебательного тока D. Питающее напряжение А колеблется с постоянной частотой и постоянной амплитудой. Устанавливающееся в колебательном контуре на втором участке линии 3 колебательное напряжение В колеблется с определенной частотой, причем она является изменяющейся, и с изменяющейся амплитудой. Эта изменчивость обусловлена тем, что в системе появляется затухание и что могут появляться дополнительные наложения внешних влияний. Из наложения приложенного на первом участке линии 2 питающего напряжения А и устанавливающегося во втором участке линии 3 колебательного напряжения В возникает временная характеристика результирующего напряжения С. Результирующее напряжение С соответствует напряжению, приложенному на открытом размыкающем промежутке. На Фигуре 4 отчетливо видно, что результирующее напряжение С колеблется с явно изменяющейся амплитудой и что имеет место смещение по фазе как относительно питающего напряжения А, так и колебательного напряжения В.
Потенциальные моменты коммутации имеются на прохождениях через нуль результирующего напряжения С. Прохождения напряжения через нуль для лучшего распознавания на характеристике результирующего напряжения С отмечены крестиками. Однако не все прохождения через нуль результирующего напряжения С являются пригодными для процесса повторного включения размыкающего промежутка 1. В качестве критериев выбора в представленных на Фигуре 4 примерах вместе с тем привлекают полярность колебательного тока D. Для лучшего распознавания полярность колебательного тока D маркирована плюсом или, соответственно, минусом в соответствующих интервалах между прохождениями через нуль колебательного тока D. В первом прохождении через нуль результирующего напряжения С имеет место положительная полярность колебательного тока D, а также положительное нарастание питающего напряжения А, то есть первое прохождение через нуль результирующего напряжения С не пригодно для процесса включения. В четырнадцатом прохождении через нуль результирующего напряжения С имеет место отрицательное нарастание питающего напряжения А и колебательный ток D имеет положительную полярность, то есть между прохождениями напряжения через нуль четырнадцатое прохождение через нуль результирующего напряжения С является особенно подходящим для процесса повторного включения. Первое и четырнадцатое прохождение напряжения через нуль при этом привлечены только в качестве примера. Кроме того, могут быть также еще особенно подходящими другие прохождения напряжения через нуль, чтобы вызвать процесс включения на размыкающем промежутке 1. Они могут находиться внутри представленного на Фигуре 4 интервала или также лежать вне этого интервала.
На Фигуре 5 представлен альтернативный способ выбора, причем А1 изображает временную характеристику питающего напряжения, В1 временную характеристику колебательного напряжения и С1 результирующее напряжение на размыкающем промежутке. Результирующее напряжение С1 получается из разности потенциалов между приложенным на первом участке линии 2 питающим напряжением А1 и приложенным на втором участке линии 3 размыкающего промежутка 1 колебательным напряжением В1. Прохождения через нуль результирующего напряжения С1 представляют собой опять-таки потенциальные моменты коммутации. Для выбора самых подходящих прохождений через нуль результирующего напряжения С1 соответственно оценивают нарастания (градиенты подъема) в эти моменты времени. В момент времени t1 как питающее напряжение А1, так и колебательное напряжение В1 имеют отрицательное нарастание, то есть этот момент времени является особенно подходящим для процесса повторного включения. В момент времени t2 питающее напряжение А1 имеет отрицательное нарастание, а результирующее напряжение С1 имеет положительное нарастание, то есть момент времени t2 и происшедшее в этот момент времени прохождение через нуль результирующего напряжения С1 не является подходящим для процесса повторного включения. Более того, каждое следующее прохождение через нуль результирующего напряжения можно классифицировать по соответствующим нарастаниям питающего напряжения и колебательного напряжения так, что получаются еще другие пригодные или, соответственно, непригодные для процесса повторного включения прохождения через нуль результирующего напряжения.
На Фигуре 6 представлена временная последовательность опроса X, вычисления Y, контроля Z, повторного вычисления U или, соответственно, временного интервала для инициирования V. Чтобы иметь возможность производить в течение от 300 до порядка 500 мс, например, автоматическое повторное включение, необходимо заранее определять характеристику напряжения для результирующего напряжения. В момент времени t=0 мс при этом предполагается открывание размыкающего промежутка электрического коммутационного аппарата. В течение первых 50 мс происходит опрос или, соответственно, определение характеристики питающего напряжения, устанавливающегося колебательного напряжения или, соответственно, колебательного тока и определение результирующего напряжения при знании характеристики напряжения питающего напряжения. В течение интервала времени от 50 до 100 мс происходит вычисление будущей характеристики колебательного напряжения или, соответственно, колебательного тока и отсюда будущей характеристики напряжения результирующего напряжения. В течение интервала времени от 100 до 150 мс существует возможность сравнения определенных вычислительным путем значений для колебательного напряжения, колебательного тока или, соответственно, результирующего напряжения, питающего напряжения относительно их временного прохождения с реально установленными значениями. При подтверждении определенных вычислительным путем значений в течение предусмотренного для контроля отрезка времени исходят из корректного предварительного вычисления характеристик сигналов. Для вычисления могут применяться, например, метод Прони или тому подобные способы. При установлении ошибочного предварительного вычисления временных характеристик в распоряжении имеется еще интервал времени от 150 до 200 мс, в котором с помощью определенных в течение интервала времени от 0 до 150 мс характеристик напряжения или, соответственно, тока в реальной сети может происходить повторное вычисление будущих характеристик напряжения или, соответственно, тока. Вследствие большего интервала времени от 0 до 150 мс и имеющихся в большом количестве измеренных значений можно исходить из более точного вычисления будущей временной характеристики токов или, соответственно, напряжений. В зависимости от прохождений через нуль результирующего напряжения, а также нарастаний колебательного напряжения и питающего напряжения или, соответственно, питающего напряжения и полярности устанавливающегося колебательного тока теперь можно определить идеальный момент коммутации. В зависимости от момента коммутации теперь возможна временная подготовка для выдачи инициирующего сигнала, причем можно учитывать характеристику предварительного пробоя примененного размыкающего промежутка 1 так, чтобы самое позднее через 300 или, соответственно, 500 мс повторное включение размыкающего блока произошло в момент времени, в который превышение напряжений внутри сети передачи электроэнергии является ограниченным. Особенно быстрое повторное включение может происходить тогда, когда представленные на Фигурах 4 и 5 в качестве примера временные характеристики предварительно вычисляют в течение очень короткого интервала (50 мс или меньше). За счет этого предварительного определения становится возможным достаточное время подготовки, в которое могут быть затактированы все необходимые времена ожидания или времена срабатывания. Так, например, можно запланировать время, которое является необходимым от генерирования инициирующего сигнала до поступления сигнала на запускающий блок электрического коммутационного аппарата с его размыкающим промежутком 1. Кроме того, можно учитывать также характеристику предварительного пробоя размыкающего промежутка 1. Таким образом становится возможной еще более точная синхронная коммутация.
На Фигурах 7 и 8 представлена соответственно характеристика предварительного пробоя 11 размыкающего промежутка 1. Характеристика предварительного пробоя 11 представлена здесь упрощенно в виде линейной характеристики, которая имеет определенную крутизну. На Фигуре 7 должна коммутироваться емкостная нагрузка, например, ненагруженный кабель. Как представлено на Фигуре 1, емкостная нагрузка должна коммутироваться предпочтительно в течение прохождения напряжения через нуль. На Фигуре 7 напряжение имеет синусообразную характеристику. Характеристика предварительного пробоя 11 является при этом настолько крутой, что точка пересечения характеристики напряжения и характеристики предварительного пробоя 11 идеальным образом совпадают в прохождении напряжения через нуль. В случае более плоской характеристики предварительного пробоя 11а точка пересечения характеристики предварительного пробоя 11а и характеристики напряжения имеет место примерно в момент времени 5 мс, то есть уже в этот момент установился бы предварительный пробой, в результате чего идеальный момент ввода электрического тока смещается вперед к прохождению напряжения через нуль. Тем самым для идеального момента включения емкостной нагрузки должен применяться электрический коммутационный аппарат, который имеет сравнительно крутую характеристику предварительного пробоя. В представленном на Фигуре 7 примере выполнения с характеристикой предварительного пробоя 11 гальванический контакт контакт-деталей и предварительный пробой совпадают в момент времени 10 мс и позволяют производить практически свободную от перенапряжений коммутацию электрического коммутационного аппарата.
В представленном на Фигуре 8 примере должна коммутироваться индуктивная нагрузка. Характеристика предварительного пробоя 11 является настолько крутой, что между характеристикой предварительного пробоя и характеристикой напряжения неизбежно возникает точка пересечения. В момент времени 5 мс между подвижными контакт-деталями размыкающего промежутка 1 будет образовываться электрическая дуга и возникать предварительный пробой. В момент времени 7,6 мс будет происходить касание подвижных относительно друг друга контакт-деталей.
При связи соответствующего изобретению способа и принятия во внимание характеристики пробоя примененного электрического коммутационного аппарата таким образом можно эффективно предотвращать появление коммутационных перенапряжений в процессе коммутации.
Фигура 9 показывает принципиальное построение устройства для осуществления способа.
Устройство содержит блок 12 для сравнения нарастаний питающего напряжения А и колебательного напряжения В. При наступлении установленных соотношений нарастаний относительно друг друга выдается сигнал 13.