Способ автоматической компенсации тока однофазного замыкания на землю в сети с дугогасящим реактором в нейтрали
METHOD OF AUTOMATIC COMPENSATION OF THE CURRENT OF A SINGLE PHASE FAULT TO EARTH IN A NETWORK WITH AN ARC-SUPPRESSING REACTOR IN THE NEUTRAL

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для автоматической компенсации тока однофазного замыкания на землю в распределительных сетях с изолированной нейтралью.
Известен способ компенсации тока однофазного замыкания на землю в сети с дугогасящим реактором (ДГР) в нейтрали, предусматривающий резонансную настройку индуктивной проводимости ДГР в нормальном режиме работы сети. При этом резонанс находят либо по максимуму естественного или искусственного напряжения смещения нейтрали, либо используя фазовые характеристики сети, выделяя опорные напряжения и сводя к нулю угол между выбранными напряжениями [1].
Однако первый вариант настройки ДГР в резонанс обладает недостаточной чувствительностью и низким быстродействием при пошаговом достижении точки резонанса. А при втором варианте - с использованием фазовых характеристик, даже при их значительном усложнении введением модуляции опорного сигнала трудно обеспечить точность и независимость от естественного смещения нейтрали и добротности контура нулевой последовательности сети.
Наиболее близким по технической сущности решением является способ компенсации, заключающийся в том, что в условиях нормальной работы сети создают на нейтрали искусственный потенциал путем введения тока источника непромышленной частоты в контур нулевой последовательности (КНП) сети, измеряют его параметры и осуществляют настройку ДГР, выравнивая по значению текущую индуктивную проводимость ДГР с измеренной ранее емкостной проводимостью КНП сети [2].
Способ характеризуется достаточно высокой точностью резонансной настройки КНП сети. Он эффективен и в случае применения статических устройств компенсации, где регулирование запаздывающего индуктивного тока осуществляют путем переключения емкости конденсаторной батареи, подключенной параллельно основной или вспомогательной обмотки ДГР [3], либо путем преобразования емкостного тока конденсаторной батареи с помощью широтно-импульсного конвертора [4].
Основным недостатком прототипа является низкая эффективность в электрических сетях с ослабленной изоляцией, характеризуемых высоким уровнем активного тока утечки фаз, и в сетях со значительной несимметрией проводимостей фаз относительно земли, где существенна доля тока, обусловленного неравенством фазных проводимостей относительно земли. В таких сетях фактор резонансной настройки не является определяющим критерием компенсации тока в месте замыкания на землю.
Другой недостаток заключается в том, что устройство, осуществляющее способ-прототип, работоспособно лишь в условиях устойчивых замыканий на землю. При дуговых пробоях в момент гашения дуги происходит произвольное размыкание контура автонастройки и потеря управляемости системы компенсации. По этой причине это техническое решение неспособно нейтрализовать перемежающиеся дуговые замыкания, которые, как правило, сопровождаются наиболее опасными негативными последствиями.
Указанные недостатки ограничивают область применения данного способа.
Целью предложенного изобретения является расширение функций и повышение эффективности компенсации токов однофазного замыкания на землю и, как следствие, повышение надежности электроснабжения потребителей.
Поставленная цель достигается заявляемым способом автоматической компенсации тока однофазного замыкания на землю в сети с дугогасящим реактором в нейтрали, заключающимся в том, что создают на нейтрали искусственный потенциал путем введения тока источника в контур нулевой последовательности сети, измеряют параметры контура нулевой последовательности и осуществляют настройку дугогасящего реактора, а с момента возникновения замыкания на землю определяют остаточный ток в месте замыкания на землю, сравнивают с пороговым уровнем, управляют источником и регулируют его ток до полной компенсации тока однофазного замыкания на землю.
Остаточный ток определяют путем суммирования отдельных составляющих тока, возникающих в месте замыкания на землю.
Первую составляющую остаточного тока определяют путем вычисления произведения проводимости контура нулевой последовательности сети, измеряемой в период, предшествующий моменту возникновения замыкания на землю, на напряжение поврежденной фазы, измеряемое относительно нейтрали сети.
Вторую составляющую остаточного тока определяют путем вычисления произведения проводимости контура нулевой последовательности сети, измеряемой в период, предшествующий моменту возникновения замыкания на землю, на измеряемое в тот же период напряжение нейтрали относительно земли.
При превышении результирующим остаточным током заданного порогового уровня ток источника устанавливают пропорциональным результирующему остаточному току, а если результирующий остаточный ток не превышает заданный пороговый уровень, то ток источника устанавливают равным нулю.
Сопоставительный анализ заявленного решения с прототипом показывает, что заявленный способ обеспечивает расширение функций компенсации тока ОЗЗ в части нейтрализации тока, который остается нескомпенсированным в месте ОЗЗ при компенсации только индуктивным током ДГР на частоте сети. Таким образом, заявленный способ обеспечивает возможность снизить ток и падение напряжения в месте повреждения, практически, до нулевого уровня. В результате, более эффективно гасится дуга и ущерб от горения дуги и ее термического воздействия в месте повреждения, а также риски возникновения повторных пробоев и перенапряжений сводятся к минимуму. Расширение функций в таком виде дает существенное повышение эффективности компенсации токов 033, обеспечивает более высокую степень электробезопасности, пожарной безопасности и надежности электроснабжения.
На чертеже приведена функциональная схема устройства компенсации, реализующего предложенный способ.
К электрической сети, содержащей присоединения 1 и 2, через нейтралеобразующий трансформатор 3, подключены управляемый реактор 4 и инвертор 5, питающийся от трансформатора собственных нужд 6 либо от вторичных обмоток трансформатора 3. Выходные сигналы измерительного трансформатора напряжения 7 и трансформаторов тока 8 и 9 поступают на вход первого измерительного органа 10 в цепи управления реактором 4 и на вход второго измерительного органа 11 в цепи управления инвертором 5. Логика взаимодействия указанных контуров управления задается программным путем в блоке 12.
Первый измерительный орган 10 содержит блок 13, в котором обрабатываются входные данные в частотной области. Вычисляются активная, индуктивная, емкостная и полная проводимости контура нулевой последовательности сети. Определяется характеристическая величина, соответствующая рассогласованию между индуктивной и емкостной проводимостями. Сформированный блоком 13 сигнал рассогласования сравнивается по абсолютной величине с записанной в блоке 14 уставкой, определяющей зону нечувствительности измерительного органа 10. При срабатывании коммутатора 15 сигнал рассогласования поступает на вход управления индуктивностью реактора 4.
Измерительный орган 11 содержит блок 16, в котором по факту возникновения ОЗЗ регистрируются осциллограммы входных сигналов. Путем обработки данных во временной и частотной областях вычисляется характеристическая функция, ориентированная относительно опорного сигнала, поступающего с одной из фазных обмоток трансформатора 7. Сформированный блоком 16 сигнал сравнивается по абсолютной величине с зафиксированной в блоке 17 уставкой, определяющей зону нечувствительности измерительного органа 11. При срабатывании коммутатора 18 сформированный блоком 16 сигнал поступает на управление выходным током инвертора 5.
Инвертор 5 реализуется на основе ШИМ-конвертора с повышенной частотой преобразования электроэнергии и может подключаться к нейтрали через дополнительную обмотку реактора 4.
Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме работы сети измерительный орган 10 измеряет текущие параметры контура сети с использованием опорного тока, задаваемого блоком 12. Блок 12 устанавливает циклический режим работы инвертора 5, инжектирующего в нейтраль сети опорный ток, частота которого может задаваться кратной частоте сети в соотношении 1/2 или 1/3. Это дает возможность отстроиться от негативного влияния шумов промышленной частоты на точность измерений. Отсутствие сигнала на выходе измерительного органа 10 свидетельствует о том, что значение индуктивности реактора 4 находится вблизи точки резонансного равновесия и реальная расстройка контура сети достаточно мала и не выходит за пределы заданной зоны нечувствительности. В том случае, когда происходит коммутация присоединений 1 и 2 и измерительный орган 10 фиксирует выход из зоны нечувствительности, сформированный блоком 13 сигнал рассогласования поступает в цепь управления реактором 4, который посредством ступенчатого или плавного регулирования индуктивности возвращается в точку резонансного равновесия. Таким образом, измерительный орган постоянно обеспечивает резонансную настройку реактора 4.
Факт возникновения ОЗЗ фиксируется измерительным органом 11 по сигналам, поступающим на его вход от измерительного трансформатора напряжения 7. С этого момента прерываются действия измерительного органа 10, блокируется управление реактором 4 и инвертором 5 и запускается процесс обработки данных, зафиксированных измерительным органом 11 на момент возникновения ОЗЗ. В блоке 16 производится вычисление мгновенных значений остаточного тока ОЗЗ, определяемого суммированием двух характерных составляющих. Первая составляющая включает в себя активный ток контура сети и его реактивный ток, обусловленный реальной расстройкой контура сети на момент возникновения ОЗЗ, а вторая составляющая представляет собой ток, обусловленный неравенством проводимостей фаз относительно земли. Для вычисления первой составляющей тока используются выборки напряжения поврежденной фазы, измеренного относительно нейтрали сети на соответствующей фазной обмотке измерительного трансформатора 7, и полная проводимость КНП сети, измеренная до момента замыкания на землю. Для вычисления второй составляющей тока используются та же полная проводимость контура сети и зарегистрированные выборки напряжения на нейтрали, измеренные с помощью обмотки «разомкнутый треугольник» трансформатора 7 в период до момента замыкания на землю. Затем сформированный пропорционально вычисленному результирующему току сигнал сравнивается по абсолютной величине с порогом чувствительности, задаваемым уставкой в блоке 17, исходя из условия минимального ущерба от термического действия тока в месте повреждения и (или) неспособности поддерживать опасные перемежающие дуговые процессы.
Если в условиях ОЗЗ сигнал на выходе измерительного органа 11 отсутствует, то это означает, что измеренный косвенным образом результирующий остаточный ток мал и не превышает порога чувствительности. В этом случае ток в цепи нейтрали реактора 4, настроенного предварительно на резонанс, оказывается достаточным для нейтрализации тока в месте повреждения до безопасного уровня. При отсутствии сигнала в цепи управления инвертором 5 его выходная цепь остается обесточенной и сохраняет высокий импеданс, что исключает влияние его на электромагнитные процессы в КНП сети.
В случае, когда в условиях ОЗЗ измерительный орган 11 фиксирует выход из зоны нечувствительности, сформированный блоком 16 сигнал поступает в цепь управления инвертором 5 и переводит его в режим инжекции тока в нейтраль сети, который пропорционален измеренному результирующему остаточному току и направлен встречно ему. В результате, в цепи нейтрали устанавливается ток, образуемый наложением тока реактора 4, направленного на компенсацию емкостной составляющей тока контура сети, и тока инвертора 5, направленного на компенсацию остаточного тока. Последний включает в себя активную составляющую тока контура сети и его реактивную составляющую, обусловленную реальной расстройкой контура сети на момент возникновения ОЗЗ, а также составляющую, обусловленную неравенством проводимостей фаз относительно земли. При этом ток в месте замыкания на землю полностью нейтрализуется и потенциал поврежденной фазы выравнивается с потенциалом земли. Эти факторы обусловливают возможность снижения до минимума рисков возникновения повторных дуговых замыканий и ущерба от термического воздействия в месте повреждения.
Через программно-заданный в блоке 12 интервал времени режим компенсации прерывается и проверяется возможность самоустранения ОЗЗ. Если этого не произошло, то восстанавливается режим компенсации тока ОЗЗ без ограничения длительности времени. Если ОЗЗ самоустранилось, то блок 12 восстанавливает циклический режим инжекции инвертором опорного тока и активизирует работу измерительного органа 10.
Таким образом, измерительные органы 10 и 11 постоянно обеспечивают настройку реактора 4 и инвертора 5 на полную компенсацию тока ОЗЗ.
Предлагаемое изобретение обеспечивает решение следующих технических задач.
1. Заявленный способ обеспечивает компенсацию остаточного тока в месте замыкания на землю, действующую согласованно с компенсацией составляющей емкостной проводимости КНП сети на частоте сети (резонансной компенсацией). В этих условиях ток и напряжение в месте повреждения снижаются до уровней, при которых прекращаются горение электрической дуги и дуговые пробои. В результате, повышается эффективность компенсации и, следовательно, надежность электроснабжения. Преимущественная область применения - сети с ослабленной изоляцией и повышенной несимметрией, где действия резонансной компенсации не достаточны для гашения дуги в месте повреждения и подавления негативных последствий от однофазных замыканий на землю.
2. Компенсация остаточного тока может реализовываться отдельным устройством с использованием управляемого источника, установленная мощность которого заведомо много меньше мощности ДГР. Это делает возможным расширить сферу применения способа за счет усовершенствования находящихся в эксплуатации систем резонансной компенсации путем дополнения ДГР менее энергоемким управляемым источником.
Источники информации
1. Черников А.А. Компенсация емкостных токов в сетях с заземленной нейтралью. - М.: Энергия, 1974., с. 83, 84.
2. Пат. 2130677 РФ. Способ автоматической настройки дугогасящего реактора и устройство для его осуществления / Брянцев A.M., Долгополов А.Г. - Опубл. 20.05.1999. Заявка №97111743/09 от 01.07.1997.
3. Пат. 2330366 РФ Способ настройки резонансного заземления нейтрали трехфазных электрических сетей переменного тока / Шпиганович А.Н., Шпиганович А.А., Захаров К.Д. и др. - Опубл. 27.07.2008. Заявка №2007112075/09 от 02.04.2007.
4. Пат. 2524347 РФ. Устройство компенсации тока замыкания на землю в трехфазных электрических сетях (варианты) / Мустафа Г.М. - Опубл. 20.11.2013. Заявка №2012119729/07 от 18.12.2006.