Устройство компенсации тока замыкания на землю в трехфазных электрических сетях (варианты)

Устройство компенсации тока замыкания на землю в трехфазных электрических сетях (варианты)

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Заявляемое техническое решение относится к электротехнике и предназначено преимущественно для компенсации тока замыкания на землю и гашения дуги в трехфазных электрических сетях с изолированной нейтралью.

В трехфазных электрических сетях с изолированной нейтралью допускается работа оборудования при однофазном замыкании на землю (причем однофазные замыкания на землю составляют до 90% общего числа повреждений), но ток замыкания при этом контролируется. Исходя из опыта эксплуатации, токи замыкания на землю не более 5…20 А (в зависимости от величины напряжения сети) являются допустимыми и не требуют немедленного отключения питания.

При коротком замыкании на землю одной из фаз электрической сети (средневольтной: 6, 10, 20 кВ или высоковольтной: более 20 кВ) через место короткого протекает емкостной ток, который может иметь значительную величину и поддерживать горение дуги короткого замыкания. Это явление исследовал Петерсен [1], и он же предложил средство для уменьшения тока дуги короткого замыкания - присоединение нейтрали питающего трансформатора к земле через катушку индуктивности (катушка Петерсена). Индуктивность катушки (или ее проводимость - адмиттанс) подбирается по условию резонанса так, чтобы отстающий ток индуктивности компенсировал опережающий емкостной ток; при точной настройке ток в месте замыкания в установившемся режиме должен становиться нулевым. С тех пор катушка Петерсена широко применяется в средневольтных и высоковольтных электрических сетях. В простых случаях может применяться нерегулируемая катушка. В разветвленных сетях, где емкость на землю может изменяться, применяются катушки с отводами, переключаемыми контакторами [2, 3] либо плунжерные реакторы, индуктивность которых регулируется перемещениями магнитного шунта [4, 5, 6, 7]. Мощность дугогасящего устройства Q_N зависит от напряжения сети и величины тока компенсации.

Недостатком реакторов с отводами является сложность настройки режима компенсации, обусловленная дискретностью изменения индуктивности.

Недостатками плунжерных реакторов являются большие масса и габариты, а также наличие вращающихся и перемещающихся частей, что отрицательно сказывается на надежности и долговечности реактора. Невысокая скорость перемещения подвижной части реакторов плунжерного типа накладывает ограничения на их быстродействие.

Известны также реакторы без подвижных частей, регулируемые подмагничиванием [8, 9, 10]. Разработаны устройства, позволяющие производить настройку регулируемых реакторов автоматически, без участия оператора [5, 7, 9, 10]. Для этого применяется вспомогательный преобразователь-генератор тестового сигнала, подаваемого в сеть через дополнительную обмотку реактора. По отклику на тестовый сигнал определяется емкость сети на землю и далее устанавливается соответствующее значение индуктивности реактора.

Однако применение вспомогательного преобразователя существенно увеличивает стоимость дугогасящего устройства в целом.

Для оценки того или иного дугогасящего устройства принципиальным обстоятельством является то, что устройства эти должны действовать в двух различных классах ситуаций. Катушка Петерсена успешно действует в ситуациях первого класса, когда короткое замыкание на землю устойчиво (металлическое к.з.). В этих ситуациях в установившемся режиме короткого замыкания устанавливается синусоидальный отстающий ток катушки, который компенсирует полностью или с некоторой погрешностью опережающий емкостной ток и уменьшает ток и тепловыделение в промежутке короткого замыкания. Напряжение здоровых фаз относительно земли оказываются завышенными в раз. Однако сеть может продолжать работать некоторое время; немедленного прерывания питания потребителей удается избежать. Возможно также и другое, более благоприятное развитие событий, когда под действием снижения тока в промежутке короткого замыкания его электрическая прочность восстанавливается, и в результате восстанавливается и нормальная работа сети.

Более типичны, однако ситуации второго класса с повторяющимися пробоями изоляционного промежутка, когда за частичным восстановлением электрической прочности промежутка следует нарастание напряжения на нем, повторный пробой и т.д. Ситуации этого второго класса рассматривались Петерсом и Слепяном [11], Джуварлы Ч.М. [12], Беляевым Н.М. [13]. В ситуациях с повторяющимися пробоями применение катушки Петерсена не дает стабильного положительного эффекта, что и следует ожидать, поскольку действие ее рассчитано на установившийся режим.

Для улучшения процессов при повторяющихся пробоях было предложено комбинированное устройство, в котором к катушке Петерсена присоединяется резистор. Выполненное Ильиных М. с соавторами исследование [14] продемонстрировало полезное демпфирующее действие резистора при повторяющихся пробоях. Вместе с тем резистивное демпфирование связано с некоторым ухудшением показателей установившихся процессов. Таким образом, возникает противоречие. Ток резистора ничем не компенсируется и добавляется к протекающему в промежутке короткого замыкания току. Возможности увеличения проводимости шунтирующего резистора для улучшения динамики ограничены.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является техническое решение [10], в котором применяется управляемый подмагничиванием электрический реактор (УПЭР) с системой автоматического управления. УПЭР не имеет подвижных частей и обладает относительно высоким быстродействием. Недостатками этого технического решения являются завышенный расход электротехнических материалов (медь, электротехническая сталь), большие масса и габариты, необходимость применения специального устройства для генерации тестовых напряжений на нейтрали трансформатора. Кроме того УПЭР не обеспечивает демпфирование высокочастотных колебаний, возникающих в момент замыкания на землю при повторяющихся пробоях и способствующих возникновению дуги. Система автоматического управления УПЭР не обладает способностью определять момент прекращения однофазного замыкания на землю для выхода из режима компенсации. Это оставляет возможность возникновения резонансных перенапряжений при коммутациях и прочих возмущениях и снижает уровень надежности сети.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в придании дугогасящей аппаратуре, наряду с основными, дополнительных полезных функций, таких как возможность идентификации сети без применения вспомогательного оборудования, быстрое подавление переходных составляющих тока, в том числе при повторяющихся пробоях, ускоренное снижение тока дуги, при одновременном устранении вышеуказанных недостатков, присущих УПЭР [10].

При решении поставленной задачи достигаемый технический результат заключается в снижении материалоемкости дугогасящего аппарата, в удобстве при эксплуатации, повышении устойчивости сети к замыканиям на землю.

Суть настоящего технического решения заключается в том, чтобы применить в качестве дугогасящего устройства (вместо регулируемого каким-то способом реактора или комбинации реактора с шунтирующим резистором) активный элемент - следящий широтно-модулированный (pulse-width modulation, PWM) транзисторный конвертор напряжения, далее в тексте обозначаемый как следящий PWM-конвертор. Современный уровень техники позволяет осуществлять такие конверторы с требуемыми для дугогашения параметрами, и такие конверторы при надлежащем управлении ими могут имитировать регулируемую индуктивность. Применение следящего PWM-конвертора соответствует тенденциям современной техники и дает некоторые преимущества уже само по себе, при простом воспроизведении новым способом тех же функций. Однако применение активного элемента - следящего PWM-конвертора - способно дать больше - ослабить противоречие между требованием хорошей точности компенсации при устойчивых замыканиях и требованием хорошего демпфирования при перемежающихся пробоях.

Кроме отмеченного существует еще одно полезное свойство следящего PWM-конвертора. При предыдущем рассмотрении он рассматривался как устройство для получения отстающего тока, т.е. как аналог регулируемой индуктивности. Однако такие конверторы в равной степени могут выдавать и опережающий ток, так что они должны рассматриваться не как аналог индуктивности или емкости, но как универсальное управляемое реактивное звено. Изменению реакции такого звена с индуктивной на емкостную соответствует смена знака коэффициента проводимости Yn конвертора как двухполюсника. При переходе коэффициента Yn через нуль в сторону отрицательных значений Yn следящий PWM-конвертор будет выдавать опережающий ток, т.е. станет аналогом емкости. При работе в сети такая ситуация может возникнуть, если проводимость реактора на присоединении другого трансформатора окажется больше, чем требуется. Следящий PWM-конвертор при этом автоматически скомпенсирует избыток, переходя в режим с отрицательным коэффициентом проводимости Yn и опережающим током. Никакие переключения или перенастройки для перехода от индуктивного режима к емкостному режиму не требуются. Способность такого конвертора к двустороннему регулированию может применяться при построении дугогасящего устройства по ценовым или другого рода мотивам.

Кроме варианта дугогасящего устройства на основе упомянутого конвертора возможны и другие варианты, выбор которых обусловлен технико-экономическими соображениями.

Хорошим является вариант, когда в состав дугогасящего устройства вводится нерегулируемая катушка на половинную мощность Q_N/2 и следящий PWM-конвертор на такую же половинную мощность Q_N/2. При регулировании конвертора в полном диапазоне ±Q_N/2 суммарный адмиттанс регулируется в полном диапазоне - от нуля до номинального значения.

Аналогично, по ценовым или другим каким-то мотивам (например, для выполнения конвертора на пониженное напряжение) может оказаться полезным применение согласующего трансформатора.

Может также оказаться целесообразным исполнить этот трансформатор как трансформатор-реактор, с мощностью холостого хода равной половине требуемой номинальной мощности дугогасящего устройства. Требуемая установленная мощность следящего PWM-конвертора при этом тоже составляет половину номинальной мощности.

Предлагаемый следящий PWM-конвертор по структуре подобен СТАТКОМу (Statkom - static reactive power compensation- статический компенсатор на основе преобразователя напряжения). Главное свойство СТАТКОМ - способность генерировать ток любой фазы относительно напряжения сети. Предлагаемый следящий PWM-конвертор может:

- работать в режиме двухполюсника с управляемым импедансом (адмиттансом), что позволяет осуществлять компенсацию емкостных токов и гашение дуги, причем быстрые регуляторы системы управления в сочетании с практически безинерционными полупроводниковыми силовыми элементами позволяют получить эффективное подавление высших гармоник, благоприятное протекание переходных процессов как при устойчивом замыкании на землю, так и при при перемежающихся пробоях,

- генерировать на нейтрали трансформатора тестовые сигналы необходимой мощности с любым содержанием гармоник, требуемым для точной идентификации параметров трехфазной сети, при этом не требуется никакого дополнительного оборудования, кроме программной области микропроцессора в системе управления, что при возможностях современных мощных микропроцессоров не требует дополнительных материальных затрат,

- работать в режиме двухполюсника, обладающего свойством нагрузки активного характера, т.е резистора (но при этом без поглощения и рассеивания энергии, за исключением небольших потерь в элементах схемы), что позволяет демпфировать высокочастотные колебания, способствующие появлению перенапряжений,

- совмещать при работе любые из вышеперечисленных режимов, например, режим компенсации емкостных токов и режим демпфирования паразитных колебаний и перенапряжений, что неосуществимо при применении пассивного элемента - реактора - любого из вышеупомянутых типов.

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается тем, что в известном устройстве компенсации тока замыкания на землю в трехфазных электрических сетях, содержащем двухполюсник, соединяющий нейтраль питающего сеть трансформатора с землей и формирующий отстающий ток для компенсации опережающего емкостного тока однофазного замыкания на землю, а также датчик тока нейтрали, трансформатор напряжения сети, генератор тестовых сигналов для измерения емкости сети и вычислительный блок для определения требуемого адмиттанса упомянутого двухполюсника, согласно заявляемому техническому решению в качестве заземляющего двухполюсника применен следящий широтно-модулированный конвертор напряжения (следящий PWM-конвертор), снабженный в дополнение к обычному набору функциональных блоков блоком задатчика тока, входами которого являются напряжение нейтрали и требуемый адмиттанс, выходом является задание тока, поступающее на вход регулятора тока упомянутого следящего PWM-конвертора, а передаточная функция задатчика тока обеспечивает отстающий сдвиг фазы около 90 градусов на сетевой частоте.

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что передаточная функция задатчика в дополнение к реактивной (первой) составляющей содержит демпфирующую, пропорциональную входному сигналу составляющую, которая в действии конвертора проявляется как шунтирующий резистор (виртуальный резистор).

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что конденсаторы постоянного напряжения следящего PWM-конвертора (накопительные конденсаторы) выполнены «подвешенными» (не присоединены к источнику либо стоку напряжения соизмеримой мощности), а в передаточную функцию задатчика введена дополнительная составляющая (составляющая баланса), вырабатываемая по рассогласованию напряжений накопительных конденсаторов следящего PWM-конвертора и обеспечивающая поддержание их напряжений около номинального уровня.

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что в состав заземляющего двухполюсника введена нерегулируемая катушка на половину требуемой реактивной мощности заземляющего двухполюсника (Q_N/2), подключенная параллельно следящему PWM-конвертору, который при этом также выполнен на такую же половинную мощность (Q_N/2); причем регулирование следящего PWM-конвертора в полном диапазоне от -Q_N/2 до +Q_N/2 (от опережающих на 90 градусов токов до отстающих на 90 градусов токов) обеспечивает регулирование суммарного адмиттанса в полном диапазоне мощности - от нуля до номинального значения Q_N.

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что следящий PWM-конвертор подключен через согласующий трансформатор.

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что следящий PWM-конвертор подключен через согласующий трансформатор (трансформатор-реактор) с мощностью холостого хода Q_N/2.

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что следящий PWM-конвертор параллельно с выполнением основной функции (компенсации емкостного тока) осуществляет вливание (инжекцию) в нейтраль сети тестового тока или тестового напряжения, а требуемый адмиттанс вычисляется в системе управления по отклику тестовой частоты в напряжении нейтрали.

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что передаточная функция задатчика наряду с реактивной (компенсационной), демпфирующей и балансной составляющими содержит дополнительную составляющую - тестовый сигнал с частотой (ωtest), отличной от сетевой (ωs) (например, ωtest=0,5ωs), генерируемый в системе управления следящего PWM-конвертора.

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что тестовый сигнал представляет собой сумму двух или более гармонических составляющих разной частоты, отличающейся от сетевой.

В соответствии с предложенным техническим решением указанная задача решается также тем, что система управления следящего PWM-конвертора, выполненная на основе мощного сигнального процессора, совмещает выполнение функций, специфичных для устройств компенсации тока замыкания на землю в трехфазных электрических сетях (как то: генерация тестовых сигналов, обработка откликов на тестовые сигналы и вычисление требуемых показателей), с неспецифичными (обычными) функциями управления следящим PWM-конвертором, исключая тем самым необходимость в применении дополнительной аппаратуры.

Для пояснений представлены следующие иллюстрации.

На фиг.1 представлена схема замещения (рис.1 из книги [3]) трехфазной электрической сети с изолированной нейтралью с дугогасящим реактором в нейтрали.

На фиг.2а представлена известная однофазная мостовая схема конвертора напряжения с тремя уровнями переменного напряжения.

На фиг.2б представлена известная однофазная пятиуровневая схема конвертора напряжения.

На фиг.3а и 3б представлены известные варианты конвертора напряжения, выполненные по модульной многоуровневой схеме.

На фиг.4 представлена схема активного дугогасящего устройства, выполненного на основе однофазного следящего PWM-конвертора.

На фиг.5 изображена структурная схема трехкомпонентного DCB (D - демпфирование, С - компенсация, В - баланс) задатчика тока, функциональные блоки которого реализованы на основе мощного сигнального процессора.

На фиг.6 представлен один из возможных вариантов реализации блока регулятора баланса, входящего в состав задатчика тока.

На фиг.7а изображена сеть с двумя питающими трансформаторами с дугогасящей катушкой на первом из них и со следящим PWM-конвертором на втором.

На фиг.7б изображена схема замещения по нейтрали сети, представленной на фиг.7а.

На фиг.8 изображен вариант дугогасящего устройства с параллельной работой нерегулируемого дросселя и следящего PWM-конвертора.

На фиг.9 изображен вариант дугогасящего устройства с подключением следящего PWM-конвертора через согласующий трансформатор или трансформатор-реактор.

На фиг.10 представлена схема автоматически подстраивающегося дугогасящего устройства со следящим PWM-конвертором.

На фиг.11а представлена функциональная схема для определения резистивной Gn и емкостной Yn составляющих проводимости сети, а также требуемого коэффициента Yz проводимости компенсации.

На фиг 11б, представлена схема замещения сети на тестовой частоте f^I, отличающейся от сетевой частоты f.

На фиг.12 представлена функциональная схема для определения резистивной Gn и емкостной Yn составляющих проводимости сети, а также требуемого коэффициента Yz проводимости компенсации для случая, когда следящий PWM-конвертор работает параллельно с нерегулируемым дугогасящим реактором в схеме вида фиг.7а или в схемах вида фиг.8, фиг.9.

Схема замещения сети с дугогасящим реактором [3], представленная на фиг.1, иллюстрирует основной принцип компенсации тока замыкания на землю и гашения дуги. Дугогасящий реактор подключают к нулевой точке сети и к земле. Паразитные емкости фаз относительно земли обозначены Ca, Cb, Cc.

Устройство заявляемого технического решения - следящего PWM-конвертора - в его статическом состоянии может быть описано с использованием иллюстраций, представленных на фиг.2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12.

Следящий PWM-конвертор - для применения в дугогасящем устройстве может быть выполнен по любой из известных схем конверторов напряжения:

- по однофазной мостовой схеме с тремя уровнями переменного напряжения (фиг.2а);

- по однофазной пятиуровневой схеме (фиг.2б);

- по модульной многоуровневой схеме [15], (фиг.3а, 3б).

Выбор той или иной из них определяется условиями применения. Широтная модуляция должна быть достаточно высокочастотной. Пульсации широтной модуляции подавляются LC-фильтром (на фиг.2 и 3 не показан). Реактанс X=ω_SL и адмиттанс Y=ω_SC фильтра на сетевой частоте ω_S пренебрежимо малы. Следящий PWM-конвертор оснащается обычным набором блоков для осуществления следящей PWM: драйверами транзисторов, датчиками и достаточно мощным сигнальным процессором. Последний осуществляет функции модулятора и требуемые дополнительные функции. Существенными свойствами следящего PWM-конвертора являются следующие. Выходное напряжение конвертора v_ae(t) с достаточной точностью повторяет сигнал задания v_z(t); отвлекаясь от масштаба можно записать

Кроме того, сам по себе конвертор является не накапливающим и не рассеивающим энергию звеном (non-energetic; non-dissipativ); мощность на выходе конвертора P_ae(t) совпадает с мощностью, проходящей в звено постоянного напряжения Pd(t):

(здесь обозначены v_d, i_d - напряжение и ток в звене постоянного напряжения конвертора, i_ae - выходной ток конвертора).

Для модульной многоуровневой схемы где накопительных конденсаторов несколько, в последнее выражение войдет сумма ; при укрупненном рассмотрении вместо суммы можно рассматривать некий эквивалентный конденсатор. Для дальнейшего рассмотрения активный элемент - следящий PWM-конвертор - это управляемый четырехполюсник с двумя портами: переменного тока v_ae, i_ae и постоянного тока v_d, i_d, описываемый уравнениями (1, 2).

Активное дугогасящее устройство образуется (см. фиг.4) путем присоединения порта переменного напряжения однофазного следящего PWM-конвертора 1 между нейтралью питающего сеть трансформатора 2 и заземлением 3 последовательно с датчиком тока 4. По отношению к трехфазной сети переменного тока (на фиг.4 в однолинейном представлении) оно является управляемым двухполюсником. Порт (или порты) постоянного напряжения при применении следящего PWM-конвертора 1 в дугогасящем устройстве присоединяются только к накопительному конденсатору 5 (конденсаторам). Присоединения к источнику или стоку постоянного напряжения соизмеримой мощности не требуется; достаточно иметь присоединение к маломощному зарядному устройству для подготовительного заряда конденсаторов 5. При применении в дугогасящем устройстве следящий PWM-конвертор 1 содержит помимо неспецифических функциональных блоков, таких как модулятор 6 (mdl), регулятор 7 тока (regi), специфический функциональный блок - задатчик 8 отстающего тока iz(t), обозначенный geniz. На фиг.4 представлены также входящие в состав следящего PWM-конвертора 1:

- собственно конвертор 9 напряжения (силовая часть, выполненная в соответствии с одним из вариантов, изображенных на фиг.2 и 3),

- LC-фильтр 10, подавляющий пульсации широтной модуляции,

- сумматор 11,

- блок 12 питания собственных нужд (bpsn), для электропитания системы управления,

На фиг.4 изображены также сборные шины 13 трехфазной электрической сети с коммутационными аппаратами 14 как со стороны питающего трансформатора 2, так и со стороны потребителей (на фиг.4 потребители не показаны) и трансформатор 15 напряжения сети.

На фиг.5 изображена структурная схема трехкомпонентного DCB (D - демпфирование, С - компенсация, В - баланс) задатчика 8 тока iz(t), функциональные блоки которого реализованы на основе мощного сигнального процессора.

Структурная схема включает в себя:

- сумматоры 16, 17, 18,

- блоки умножения 19, 20, 21,

- интеграторы 22, 23,

- блок 24 регулятора баланса,

- блок 25 регулятора напряжения или энергии накопительных конденсаторов 5 конвертора 9 напряжения.

Входными сигналами задатчика 8 тока являются сигналы, вычисляемые в системе управления:

- vn - напряжение смещения нейтрали,

- Gdemp - коэффициент проводимости демпфирования,

- Yz - требуемый коэффициент проводимости компенсации,

- εz - номинальный (расчетный) уровень энергии накопительного конденсатора (конденсаторов) 5,

- ud - текущее (измеренное) значение напряжения накопительного конденсатора (конденсаторов) 5.

На фиг.6 представлен один из возможных вариантов реализации блока 24 регулятора баланса. Блок 24 регулятора баланса содержит быстродействующий ПИД (пропорционально-интегрально-дифференциальный) регулятор 26, и фильтр 27 второй гармоники. ПИД-регулятор включает в себя интегральное 28, пропорциональное 29 и дифференциальное 30 звенья с постоянными времени tint, t1, tdif соответственно. Выходы звеньев 28, 29, 30 суммируются сумматором 31 с соответствующими коэффициентами 1, Kpr, Kdif. Для уменьшения пульсаций дополнительно отфильтровывается вторая гармоника с помощью синхронной фильтрации. С этой целью выходной сигнал Gbal^I сумматора 31 поступает на вход фильтра 27 второй гармоники. Выходной сигнал Gbal блока 24 регулятора баланса поступает на один из входов блока 21 умножения (см. фиг.5).

На фиг.7а изображена сеть с двумя питающими трансформаторами 32 и 2 с дугогасящей катушкой 33 на первом из них и со следящим PWM-конвертором 1 на втором. На фиг.7б изображена схема замещения по нейтрали, используемая для идентификации параметров сети в системе управления следящего PWM-конвертора 1, заземляющего нейтраль второго трансформатора 2. Схема замещения (фиг.7б) состоит из включенных параллельно L, С, и R значения которых вычисляются в системе управления (на схеме in и vn - ток и напряжение нейтрали).

На фиг.8 изображен вариант дугогасящего устройства с параллельной работой нерегулируемого дросселя 34, выполненного на половину требуемой реактивной мощности заземляющего двухполюсника (Q_N/2) и следящим PWM-конвертором 1 на такую же мощность (Q_N/2).

На фиг.9 изображен вариант дугогасящего устройства с подключением следящего PWM-конвертора 1 через согласующий трансформатор 35.

Еще одним возможным вариантом (схема такая же, как на фиг.9) является выполнение согласующего трансформатора 35 в виде трансформатор-реактора, с мощностью холостого хода равной половине требуемой номинальной мощности дугогасящего устройства (Q_N/2). Требуемая установленная мощность следящего PWM-конвертора 1 при этом тоже составляет половину номинальной мощности (Q_N/2).

На фиг.10 представлена схема автоматически подстраивающегося дугогасящего устройства со следящим PWM-конвертором 1. Функции автоподстройки выполняются блоком 36 автоподстройки микропроцессорной системы управления, включающим в себя:

- субблок 37 вычисления требуемого аддмитанса (коэффициента проводимости нейтрали) для активного двухполюсника - следящего PWM-конвертора 1,

- генератор 38 тестового сигнала.

В составе системы управления для целей автоподстройки имеется сумматор 39.

На фиг.11а представлена функциональная схема для определения резистивной Gn и емкостной Yn составляющих проводимости сети, а также требуемого коэффициента YZ проводимости компенсации.

На фиг.11а обозначены:

- генератор 40 (genθ), вырабатывающий ортогональную синусоидальную пару переменных cosθ и sinθ, имеющую частоту f^I отличающуюся от сетевой частоты f,

- блоки умножения 41, 42, 43, 44,

- сумматор 45,

- фильтры 46, 47 нижних частот,

- блок 48 вычисления резистивной Gn^I и емкостной Yn^I составляющих проводимости сети на тестовой частоте f^I отличающейся от сетевой частоты f,

На фиг 11б, представлена схема замещения сети на тестовой частоте f^I, отличающейся от сетевой частоты f.

На фиг.12 представлена функциональная схема для определения резистивной Gn и емкостной Yn составляющих проводимости сети, а также требуемого коэффициента YZ проводимости компенсации для случая, когда следящий PWM-конвертор 1 работает параллельно с нерегулируемым дугогасящим реактором в схеме вида фиг.7а или в схемах вида фиг.8, фиг.9. Схема построена аналогично схеме на фиг.11а, отличаясь от нее двойным набором умножителей (добавлены блоки умножения 49, 50, 51) и фильтров нижних частот (добавлены фильтры 52, 53), а также введенным сумматором 54.

Устройство работает следующим образом.

Как отмечено выше, следящий PWM-конвертор 1 содержит (см. фиг.4) обычно применяемые в подобных устройствах функциональные блоки: модулятор 6 и регулятор 7 тока. Для применения в качестве дугогасящего устройства в следящий PWM-конвертор 1 вводится специфический функциональный блок-задатчик 8 отстающего тока iz(t).

Регулятор 7 тока, построение которого при достаточно высокой частоте модуляции затруднений не вызывает, обеспечивает равенство выходного тока следящего PWM-конвертора 1 заданию: i_ae=i_z;

Задатчик 8 тока формирует переменную i_z(t), которая в установившемся режиме отстает от напряжения смещения vn на угол около 90º.

где слагаемые в скобках суть напряжения фаз сети, измеряемые трансформатором 15 напряжения сети.

Для получения такой отстающей переменной можно использовать в качестве передаточной функции задатчика 8 тока просто функцию адмиттанса катушки Петерсена

где Lo, Ro - индуктивность и сопротивление катушки. При этом следящий PWM-конвертор 1 функционировал бы как пассивный двухполюсник. Однако применение следящего PWM-конвертора 1 позволяет сделать два шага вперед. Во-первых, следящий PWM-конвертор 1 может имитировать в силовой цепи не только катушку индуктивности, но и комбинированную схему, составленную из индуктивности и шунтирующего резистора R₀₀

Эти индуктивность и резистор являются виртуальными; они осуществляются не более как пара операторов в микропроцессорной системе управления следящего PWM-конвертора 1, но в силовой схеме проявляют себя как дроссель и резистор. В дугогасящих устройствах, описанных в [14] демпфирующий резистор R₀₀ комбинированной схемы дугогашения остается действовать и в установившемся режиме, когда он уже не нужен, и портит характеристики режима. В следящем PWM-конверторе 1 можно сделать следующий шаг усовершенствования, и снимать действие виртуального демпфирующего резистора по мере того как он становится ненужным. Этот шаг в системе с активным дугогашением является не только возможным, но и необходимым. Энергия, поглощаемая виртуальным резистором

передается конвертором 9 напряжения в звено постоянного напряжения (накопительному конденсатору 5). В предложенной схеме дугогашения звено постоянного напряжения не подключено к какому-то источнику соизмеримой мощности, но только к накопительным конденсаторам 5. Для поддержания напряжения (Ud) накопительных конденсаторов 5 в окрестности номинального напряжения (Udz) к заданию тока iz должна быть добавлена третья составляющая - составляющая баланса ibal. Составляющая баланса действует по направлению основной гармоники напряжения нейтрали v_n. Уровень воздействия определяется коэффициентом проводимости баланса Gbal:

,

который в свою очередь определяется регулятором напряжения или энергии накопительных конденсаторов конвертора

где F(p) - функция преобразования блока 24 регулятора баланса,

Ez и Ed - номинальный (расчетный) и измеренный (вычисленный) уровни энергии накопительного конденсатора (конденсаторов) 5 соответственно.

Таким образом получена система задатчика тока для активного дугогасящего устройства в которой ток задания складывается из трех составных частей (фиг.5):

- компенсационная составляющая, действующая по ортогональному направлению напряжения нейтрали с коэффициентом проводимости компенсации Yz

- демпфирующая составляющая, действующая по всем компонентам напряжения нейтрали с коэффициентом проводимости демпфирования

- балансная составляющая, действующая по направлению основной гармоники напряжения нейтрали с коэффициентом проводимости баланса Gbal, который определяется регулятором баланса напряжения (энергии) накопительных конденсаторов (6, 7).

Задание тока iz есть сумма (сумматор 16 на фиг.5)

Основная гармоника и ортогональная составляющая v_n,ort могут быть получены с помощью фильтра второго порядка, изображенного на фиг.5 (блоки 17, 22, 23),

либо каким-то иным способом.

Активное дугогасящее устройство, выполненное на основе следящего PWM-конвертора 1 с трехкомпонентным задатчиком тока DCB (D - демпфирование, С - компенсация, В - баланс) обеспечивает демпфирование не хуже, чем комбинированная схема дугогашения, описанная в [14] (реактор с резистором), но при этом обеспечивает полную компенсацию емкостного тока в установившихся режимах замыкания.

Как отмечено выше, при применении в разветвленных сетях регулируемые дугогасящие устройства оснащаются системой автоматической настройки. Действие их основывается на том, что к основным составляющим тока или напряжения нейтрали примешивается тестовый сигнал, который имеет частоту отличную от сетевой частоты. По отклику на тестовый сигнал определяются параметры схемы замещения сети по нейтрали, и по этим параметрам определяется требуемый коэффициент проводимости заземляющего устройства. С этой целью в дугогасящих устройствах с плунжерными реакторами или в управляемых подмагничиванием реакторах применяется специальная дополнительная обмотка и специальный блок генератора тестовых сигналов и анализатора отклика [5, 7, 9, 10]. При применении предлагаемого устройства задачи автоматической подстройки существенно упрощаются. Следящий PWM-конвертор 1 может осуществлять вливание в нейтраль сети тестового тока или тестового напряжения параллельно с выполнением основной функции без всяких добавок к нему. Желательный тестовый сигнал itest примешивается к сигналу задания тока iz конвертора при помощи сумматора 39:

,

как это показано на фиг.10. Регулятор 7 тока и конвертор 9 напряжения обеспечивают поступление тока, равного заданию, в нейтраль сети, т.е. в составе тока нейтрали появляется составляющая тестовой частоты, смешанная с составляющей сетевой частоты.

,

Таким образом, следящий PWM-конвертор 1 попутно с выполнением основной функции выполняет функцию мощного усилителя низкой частоты, который в дугогасящих устройствах с катушками индуктивности [5, 7, 9, 10] является отдельным дополнительным устройством. Получение тестового сигнала в предлагаемой системе не требует никакого дополнительного оборудования вовсе; сигнал itest генерируется микропроцессорной системой управления следящего PWM-конвертора 1 и усиливается самим следящим PWM-конвертором 1 без каких бы то ни было аппаратных добавок. Анализ отклика на тестовый сигнал так же осуществляется микропроцессорной системой управления следящего PWM-конвертора 1, опять же не требуя применения выделенных дополнительных устройств в системе дугогашения. Все необходимые для этого переменные в системе управления следящего PWM-конвертора 1 уже имеются для исполнения его основной функции, а вычислительные возможности современных сигнальных процессоров легко позволяют совместить расчеты отклика и их обработку с выполнением базовых функций. Осуществление задачи автоматического определения требуемого коэффициента проводимости дугогасящего устройства (блоки 37 и 38, на фиг.10) может осуществляться по какому-нибудь из известных применяемых алгоритмов.

На фиг.11 представлена одна из возможных функциональных сх