Метод автоматического управления плунжерными дугогасящими реакторами

3. Жежеленко И.В. Качество электроэнергии на промышленных предприятиях / И.В. Жежеленко, М.Л. Рабинович, В.М. Божко. Киев: Техшка, 1981. 160 с.

4. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И.В. Жежеленко. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 1984. 160 с.

5. Пат. 91486 Российская Федерация, МПК Н 02 М7/08. Многофазный преобразователь / Л.Э. Ро-гинская, Е.Н. Гуляев, Ю.В. Рахманова; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уфимский государственный авиационный технический университет». № 2009136848/22; заявл. 05.10.09; опубл. 10.02.10, Бюл. № 4. 9 с.

6. Рогинская Л.Э. Особенности работы резонансных преобразователей частоты на нелинейный индуктивно конденсаторный контур / Л.Э. Рогинская, Р.Р. Исмагилов, Т.А. Гайнетдинов // Вестник УГАТУ 2008. Т. 200, № 1 «26». С. 142-150.

РОГИНСКАЯ ЛЮБОВЬ ЭММАНУИЛОВНА - доктор технических наук, профессор кафедры электромеханики, Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия, Уфа (Gulaev81@mail.ru).

ROGINSKAYA LYUBOV EMMANUILOVNA - doctor of technical sciences, professor, Ufa State Aviation Technical University, Russia, Ufa.

ГУЛЯЕВ ЕВГЕНИЙ НИКОЛАЕВИЧ - аспирант кафедры электромеханики, Уфимский государственный авиационный технический университет, Россия, Уфа (Gulaev81@mail.ru).

GULYAEV EVGENIY NIKOLAEVICH - post-graduate student, Ufa State Aviation Technical University, Russia, Ufa.

УДК 621.317.736

И.В. СОЛОВЬЁВ, ВС. ПЕТРОВ, М.И. ПЕТРОВ

МЕТОД АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ ПЛУНЖЕРНЫМИ ДУГОГАСЯЩИМИ РЕАКТОРАМИ

Ключевые слова: автоматика контура нулевой последовательности сети, алгоритм автоматического управления, плунжерный дугогасящий реактор, компенсация емкостных токов, расстройка контура.

Рассмотрены вопросы реализации алгоритма определения параметров контура нулевой последовательности компенсированной электрической сети с введением в контур импульсного возмущения. Приведены расчетные соотношения по определению расстройки компенсации с учетом добротности контура.

I.V. SOLOV’YEV, V.S. PETROV, M.I. PETROV THE AUTOMATIC CONTROL METHODS OF PLUNGER ARCH-REDUCED REACTORS Key words: a contour automatic of a zero succession net; an algorithm of automatic control; a plunger arch-reduced reactor; a compensation of capacity currents; a contour disorder.

The questions of an algorithm realization of a parameter determination the zero succession contour of a compensated current net with the impulse disturbance introduction into the contour are considered in this article. The calculated correlations on a compensation disorder determination with the taking into account the durability of a contour are listed.

В Правилах устройства электроустановок приведены значения токов замыкания в распределительных сетях, при превышении которых необходима компенсация емкостных токов. Данное положение в большей степени распространяется на сети среднего напряжения городов и промышленных предприятий, в которых преобладают кабельные линии электропередачи. Предназначенная для обозначенной цели катушка подсоединяется к сети посредством дополнительного трансформатора, образуя, тем самым, совместно с фазными емкостями электрооборудования контур нулевой последовательности (КНП) сети [12].

В последнее время наблюдается тенденция к реализации способа комбинированного (включения параллельно катушке высокоомного резистора) заземления нейтрали, который, как показывает практика эксплуатации, в значительной мере улучшает надежность электроснабжения потребителей за

счет эффективного подавления однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) в начальной фазе их возникновения [4].

Реконструкция и модернизация подстанций сопровождается заменой старого, морально устаревшего оборудования подстанций на современное. Особенно это касается микропроцессорных устройств различного назначения, в том числе предназначенных для автоматической настройки КНП сети на необходимый режим компенсации.

Выпускаемые отечественными производителями устройства автоматики управления дугогасящими реакторами (ДГР) серий МИРК, УАРК и др. ориентированы на применение в качестве параметров регулирования фазовых или амплитудных характеристик КНП сети. Обстоятельства применения характеристик контура объясняются тем, что в нейтрали сети всегда присутствует напряжение основной частоты тока сети, а его величина и фазовый угол определяются, в том числе и расстройкой КНП [3].

Образование в нейтрали, с целью улучшения качественных показателей устройств управления настройкой резонансного объекта, колебаний напряжения е(0 основной частоты тока сети ю с амплитудой

ет = ет (ю) = ет (ЮЬ, С, ^) ^ 0,15Ет

и фазой

ф = ф(ю) = ф(ю, Ь, С, g) в симметричных сетях, к которым относятся кабельные сети 6-35 кВ, возможно искусственным созданием тока несимметрии путем изменения одного из параметров С, g7, Е7т. В приведенных выражениях: Ь - индуктивность дугогасящего реактора; С, и gi - суммарная емкость и активная проводимость 7-й фазы сети относительно земли; Е7т - амплитудой фазной ЭДС. Требования по ограничению напряжения нейтрали в нормальном режиме работы сети на уровне 0,15 Ет [9] обусловлены влиянием асимметрии фазных напряжений на надежность электрооборудования, на что необходимо обращать внимание при выборе способа введения напряжения в нейтраль с учетом изменения фазных проводимостей с перспективным развитием сети.

Зависимость напряжения нейтрали е($ от небаланса параметров элементов сети (кабеля, трансформаторов, нагрузки, неравенства фазных напряжений сети высшего уровня) и связанная с ними некорректная работа системы автоматической настройки компенсации (АНК) заставляют производителей искать новые пути совершенствования устройств управления дугогасящими реакторами. И, к сожалению, модернизация устройств этого назначения, в основном, сводится только к совершенствованию используемых алгоритмов определения расстройки компенсации, основанных на контроле значения напряжения нейтрали или его фазы [5].

Совершенствование алгоритмов управления ДГР, основанных на пассивных методах контроля состояния КНП электрической сети, и переход на современную цифровую элементную базу, даже при принятии дополнительных мероприятий по смещению нейтрали позволяют улучшить качественные показатели АНК только вблизи резонансной настройки контура [3]. Недостатками АНК, основанных на использовании характеристик контура в качестве параметра управления ДГР, являются: необходимость создания искусственного смещения нейтрали; неопределенность характеристик контура при значительных расстройках ком-

пенсации; погрешности настройки контура при неполнофазных режимах работы, замыкании на землю через высокоомное переходное сопротивление, разделении гальванически связанной сети и объединении секций шин.

В отличие от отечественных производителей систем АНК зарубежные поставщики продукции аналогичного назначения идут по несколько иному пути развития. Начав с пассивных методик контроля, столкнувшись с их недостатками и неспособностью вести правильную настройку КНП в некоторых режимах, они разработали и реализовали принципиально новые устройства автоматики на основе активного измерения параметров КНП сети на частоте вводимого в нейтраль сети напряжения от дополнительного источника. Примерами устройств автоматики подобного рода являются REG-DPA (A-Eberle, Германия), DRL-EP (Protecta Electronics Co, Венгрия), EFC30 и EFC40 (Trench, Австрия). При всех достоинствах зарубежных приборов [13] точность определения параметров контура зависит от степени расстройки компенсации и добротности КНП сети [8, 7], что накладывает ограничения на область их применения. Другой немаловажный фактор, ограничивающий внедрение продукции указанных производителей -цена изделий, намного превышающая стоимость приборов отечественных разработчиков, в основном за счет дорогостоящих мощных преобразователей частоты - источников вспомогательного напряжения.

НПП Бреслер освоено производство терминалов серии «Бреслер 0107», в том числе для управления дугогасящими реакторами. Цифровые терминалы данного типа построены в соответствии с современными требованиями к устройствам подобного рода. В частности, эти терминалы имеют три порта передачи данных и могут участвовать в информационном обмене по каналам АСУ подстанции. Основным преимуществом терминалов автоматики ДГР типа «Бреслер» является принцип (метод) измерения параметров КНП сети, основанный на алгоритме кратковременной токовой инжекции. Способ не требует постоянного искусственного смещения нейтрали и позволяет вести правильную настройку КНП при всех изменениях конфигурации гальванически связанной сети, добротности контура, а также при неполнофазных режимах работы сети и замыканиях фазы через высокоомное переходное сопротивление.

Рассмотрим алгоритм кратковременной токовой инжекции с целью измерения параметров КНП сети.

Контур нулевой последовательности сети в первом приближении можно представить схемой его замещения, представленной на рис. 1.

На схеме обозначены: LP - суммарная индуктивность рабочей обмотки ДГР и рассеяния присоединительного трансформатора реактора (ТДГР); Сс=Са+Св+Сс - эквивалентная емкость трехфазной сети; GP, GC - эквивалентные активные проводимости реактора, изоляции кабельной линии и установленного электрооборудования; I(t) - источник тока, приведенный к рабочей обмотке ДГР; Uv(t) - эквивалентная ЭДС, отображающая напряжение смешения нейтрали на основной частоте сети; QS - ключ, подключающий источник тока к контуру.

электрической сети

Источник тока I(t) подключается к КНП сети посредством сигнальной обмотки ДГР и ключа QS. При импульсном воздействии источника на контур, в элементах LP и СР накапливается дополнительная энергия, которая в последующем рассеивается в контуре, вызывая в нем апериодический затухающий процесс. Этот процесс не зависит от действующих в контуре других источников, а его характер определяется только соотношением параметров контура. Цифровое осциллографирование упомянутого переходного процесса и последующий математический анализ полученной осциллограммы позволяют вычислить параметры КНП сети, в том числе величину расстройки контура, являющуюся главным критерием для работы системы автоматического управления плунжерными ДГР.

Процессы, протекающие в контуре при импульсном воздействии, характеризуются тремя режимами:

- идеальный контур. Потери отсутствуют. Колебания незатухающие;

- контур с высокой добротностью (малыми потерями). Колебания затухают медленно. Контур является колебательным звеном второго порядка;

- контур с низкой добротностью. Разряд апериодический, быстрозатухающий. Контур представляет собой частный случай колебательного звена -апериодическое звено второго порядка.

Для электрических сетей среднего класса напряжений в зависимости от состояния изоляции характерны, в основном, 2-й - высокодобротный (добротностью 20-35) режим, относящийся к вновь вводимым сетям, и 3-й - низкодобротный. К последним относятся сети с изношенной изоляцией и комбинированным заземлением нейтрали, для которых характерна добротность, равная 2-7.

Для учета влияния на точность измерения расстройки компенсации потерь в контуре необходимо установить связь между частотой собственных колебаний контура и его добротностью на частоте тока сети. Для этого воспользуемся операторным методом расчета [11]. Полная проводимость конту-

ра в операторном виде представляется суммой трех слагаемых:

Y

PL

где G, С, L, согласно рис. 1, - суммарная активная проводимость контура, эквивалентная суммарная емкость трехфазной сети и эквивалентная индуктивность ДГР и ТДГР, p — jra - операторный множитель. Характеристическое уравнение контура, полученное из выражения (1):

2 G 1

p + p—і-------= 0.

C LC

Приведенное характеристическое уравнение также вытекает из анализа

переходного процесса в данном контуре. Из законов Кирхгофа для цепи с

двумя узлами данное уравнение преобразовывается к виду

d 2i di

LC —-—і GL-----1 i — 0 .

dt dt

Поделив все члены уравнения на коэффициент при члене с высшей производной, получим дифференциальное уравнение второго порядка:

d 2 i G di 1

—t +---------------------------------------------+-i — 0.

dt2 C dt LC

Решением приведенного дифференциального уравнения второго порядка (3) в общем случае является выражение вида:

/ (Г) = Л1ври + Л2 ер 2, где ДО - искомая переменная величина; р1 и р2 - корни характеристического уравнения (2); Л1, Л2 - постоянные интегрирования, определяемые из граничных условий.

Корни данного характеристического уравнения имеют вид:

О

Р1,2 ----------

2С

2С

1 --5+ 52 -—.

ьс V ьс

Рассмотрим возможные варианты применительно к электрическим сетям среднего напряжения.

1. Контур с высокой добротностью, сети с новым оборудованием. Для этого случая справедливо:

(2й <( Ьс} • те я > Ш или 2 я >р •

Ь

Отсюда

2 Г ..Г 1 г о \2)

=.1

где р -Л1 с ~ волновое, или характеристическое, сопротивление контура.

11

О '2

V 2

1 ( О '2

ЬС У 2С 1

ЬС У2С,

Решением характеристического уравнения является комплексносопряженная пара корней: _______

р1,2 - -5 ±-\/52 -Ю0 --5± 7ю СВ ,

где юСВ - - 52 - угловая частота свободных колебаний; ю 0 - -

\ЬС

угловая резонансная частота колебательного контура; 5 - _ коэффици-

ент затухания свободных колебаний.

После преобразований получим:

и СВ Ь) - и 0 е 8Іп(ю СВ +ф),

где иСВ (ґ) - напряжение на элементах контура в любой момент времени; ио -напряжение конденсаторе до начала переходного процесса; ф-юСВ /5 - начальная фаза свободных колебаний.

2. Сети с ослабленной изоляцией и комбинированным заземлением нейтрали. Разряд апериодический. Для данного контура справедливо:

о ^2 ( 1 ^ „ 1 [ь

---І > I-I, т.е. Я <—л— или 2Я < р.

2С) У ЬС) 2\ С

В этом случае корни характеристического уравнения являются вещественными и разными. Контур с подобными характеристиками является частным случаем колебательного контура, процесс в нем отображается аналогич-

2

ным уравнением (5), но при этом не носит колебательного характера, а свободная составляющая изменяется по закону, близкому к экспоненциальному:

иСВ (¿) = Л1ер1‘ + Л2ер2‘.

3. Критический режим

---| =|-----|, т.е. Я = — , или 2Я = р - критический режим, т.е.

2С у I у 2 \ С*

пограничный между колебательным и апериодическим. В данном случае корни характеристического уравнения являются вещественными и равными.

Определим добротность контура Q . Для параллельного колебательного контура, в котором наблюдается резонанс токов, добротность Q определяется по формулам:

Q !с рез и/

Q = —------=------------= ю0ЯС ,

1я РЕЗ и / Я 0 ’ ^

или, что эквивалентно:

Q = 1—^ = и/^0— = _А_.

* 1я _ рез и / Я Шо—

Коэффициент затухания свободных колебаний 5 с учетом (5) примет следующий вид:

5 = —1— = Шо = ^.

2 ЯС 2ю0 ЯС 2Q

Так как логарифмический декремент затухания колебаний равен натуральному логарифму отношения двух последующих амплитудных значений колебательного процесса, приведенного на рис. 2, можно записать:

Х = 1п(7 / Т2).

С учетом того, что ТСВ = (Т 2 - (Т 1, получим:

5 = 1п

^Т 2 — ^Т 2 ТСВ

Таким образом, имея осциллограммы переходного процесса КНП сети (рис. 2), можно определить, как минимум, два параметра: логарифмический декремент затухания X и частоту свободных колебаний юСВ .

По вычисленным из осциллограммы переходного процесса значениям X и юСВ необходимо определить добротность Q и расстройку & КНП сети. Преобразовав формулу (6) и подставив в нее ю0, полученное из (5.1), имеем:

^ШСВ + 5

шсв + 5 _ 1

+1.

52

Заменив в формуле (8) Юсв = 2п/ТсВ и подставив в нее формулу (7), получим:

4П2Т2 1 14л2

Т#+1 = л/“+1.

Таким образом, формула (9) позволяет вычислить добротность КНП сети по осциллограммам переходного процесса в КНП электрической сети при введении импульсного возмущения.

Расстройка КНП сети определяется по формуле:

где ю - значение угловой частоты тока промышленной сети / = 50Гц.

Окончательное выражение для определения расстройки компенсации 9 :

9 = 1 -

ю2 , юСВ +52 , 4п 2/СВ + А,2 /св _Л /Св

=1 -

= 1 --

=1 -

ю2 ю2 4п2 /2 4п2/2

где /св =1/Тсв (рис. 2).

Формулы (9) и (11) позволяют определить параметры КНП сети и используются в автоматике управления плунжерными ДГР.

Рассмотрим особенности выделения сигнала свободной составляющей из осциллограммы переходного процесса [11], вызванного кратковременным возмущающим воздействием.

На рис. 3 приведен пример реальной осциллограммы переходного процесса, протекающего в КНП сети при ведении кратковременного токового сигнала. Осциллограмма представляет собой изменение напряжения на нейтрали, которое снимается с разомкнутого треугольника измерительного трансформатора напряжения. Осциллограмма условно разделена на три части:

1) участок № 1 осциллограммы переходного процесса в КНП сети (рис. 3) соответствует стандартному режиму (до импульсного воздействия на контур);

2) участок № 2 показывает результат токового воздействия в пределах одного периода промышленной частоты;

3) участок № 3 содержит сумму свободной и принужденной составляющих переходного процесса.

Рис. 3. Осциллограмма переходного процесса, в КНП сети

Свободная составляющая выделяется из осциллограммы переходного процесса напряжения 3ио (V) путем вычитания сохраненных в памяти частей

осциллограмм участка № 3 и участка № 1 (рис. 3). Пусть длительность участка стационарного режима (№ 1) и длительность участка выделения свободной составляющей (№ 3) равны N выборкам. Длительность времени токового воздействия (участка № 2) - К выборкам. Тогда /-я точка сигнала свободной составляющей определяется по формуле:

и св (/) = 3и о( N + К + /) - 3и о (/), где / = 1, 2, ..., N.

Непременным условием пра-

вильной работы алгоритма определения расстройки является равенство длительностей участков осциллограммы № 1 и № 3.

Надежная и точная работа алгоритма управления дугогасящими реакторами в электрических сетях 6-35 кВ возможна при соблюдении следующих условий:

- длительности участков № 1 и № 3 (рис. 3) выбираются исходя из минимально возможной частоты собственных колебаний КНП конкретной сети (если возможную частоту считать равной 25 Гц, длительность этих частей не может быть менее двух периодов частоты тока промышленной сети, т.е. 40 мс);

Рис. 4. Осциллограмма свободной составляющей, выделенной из осциллограммы на рис. 3

- частота дискретизации осциллограммы не может быть меньше двукратной максимальной частоты собственных колебаний КНП сети (при максимальной его частоте в 100 Гц минимальная частота дискретизации должна быть более 200 Гц).

Предложенный алгоритм определения параметров КНП электрической сети описан в [10, 6]. Он реализован в терминалах автоматики управления дугогасящими реакторами плунжерного типа в электрических сетях 6-35 кВ промышленных предприятий, региональных электросетевых и генерирующих предприятий и показал высокую эффективность при эксплуатации.

Литература

1. Биккунин ЕА. К вопросу определения знака расстройки компенсации в компенсированной сети / Е.А. Биккунин, Д.П. Журавлев // Труды Академии электротехн. наук Чувашской Республики. 2008. № 1. С. 31-34.

2. Добротворский И.Н. Теория электрических цепей: учебник для техникумов / И.Н. Добротвор-ский. М.: Радио и связь, 1989.

3. Иванов Д.Г. К вопросу управления дугогасящими реакторами в электрических сетях среднего напряжения / Д.Г. Иванов, Е.М. Петров // Электрика. 2008. N° 5. С. 11-14.

4. Ильиных М.В. Анализ опыта эксплуатации сети 6 кВ ТЭЦ Кузнецкого металлургического комбината с компенсированной и комбинированно заземленной нейтралью / М.В. Ильиных, Л.И. Сарин, А.И. Ширковец // Ограничение перенапряжений. Режимы заземления нейтрали. Электрооборудование сетей 6-35 кВ: труды IV Всеросс. науч.-техн. конф. Новосибирск, 2006. С. 62-70.

5. Обабков В.К. Совершенствование фазового способа автоматического поддержания условий компенсации емкостных токов в кабельных сетях 6-35 кВ / В.К. Обабков // Электричество. 1989. № 1. С. 18-25.

6. Пат. 2377582 Российская Федерация МПК G01R27/18 (2006.01). Способ измерения параметров относительно земли в компенсированных электрических сетях / В. Ф. Ильин, В.Н. Козлов, М.И. Петров, И.В. Соловьев; патентообладатели: ООО «НПП Бреслер», ООО НПП «ЭКРА». № 2008127655/28; заявл. 07.07.2008; опубл. 27.12.2009 г. Бюлл. 36.

7. Петров В.С. Способ формирования оптимизированного тестирующего сигнала для контроля изоляции / В.С. Петров//Труды Академии электротехн. наук Чувашской Республики. 2007. № 1. С. 25-26.

8. Петров Е.М. К применению методов частотного анализа для настройки дугогасящих реакторов в сетях 6-35 кВ // Е.М. Петров, В.С. Петров, И.В. Соловьев // Труды Академии электротехн. наук Чувашской Республики. 2007. № 1. С. 18-19.

9. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. СПб.: Деан, 2000. 352 с.

10. Соловьёв И.В. Метод определения расстройки по переходной характеристике контура нулевой последовательности распределительной сети / И.В. Соловьёв, Е.М. Петров // Труды Академии электротехн. наук Чувашской Республики. 2005. № 2. С. 14-15.

11. Трухан А.П. Автоматическая компенсация токов замыкания на землю в электрических сетях / А.П. Трухан // Компенсация емкостных токов замыкания на землю в электрических сетях: матер. науч.-техн. совещ. Киев: Наукова думка, 1968. С. 5-25.

12. Черников А.А. Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью /

A.А. Черников. М.: Энергия, 1974.

13. Druml G. Дугогасящие реакторы 6-35 кВ. Повышение точности настройки / G. Drum, A. Kuri,

B. Parr // Новости электротехники. 2007. № 1(43). С. 48-51.

СОЛОВЬЁВ ИГОРЬ ВАЛЕРЬЕВИЧ - аспирант кафедры теоретических основ электротехники и релейной защиты и автоматики, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (igor@bresler.ru).

SOLOV’YEV IGOR VALERIEVICH - post-graduate student of Electrical Engineers and Relay Protection and Automatics Theoretical Bases Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

ПЕТРОВ ВЛАДИМИР СВЯТОСЛАВОВИЧ - аспирант кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (vladimir.petrov@bresler.ru).

PETROV VLADIMIR SVYATOSLAVOVICH - post-graduate student of Industrial Enterprises Electrosupply Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.

ПЕТРОВ МИХАИЛ ИВАНОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (pmi@bresler.ru).

PeTrOV MICHAIL IVANOVICH - candidate of technical sciences, senior lecturer of Industrial Enterprises Electrosupply Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary.