Устройство для компенсации полноготока однофазного замыкания ha землю

Устройство для компенсации полноготока однофазного замыкания ha землю

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОПИСЛНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Феслублик ()813587 (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22) Заявлено 07.06.79 (21) 2777496/23 07 с присоединением заявки РЙ— (5 I )M Кл.

Н 02 J 3/18

Гвеударстееннмй кемнтет

СССР ав делам наебретеннй н вткрмтнй (23) Приоритет

Опубликовано 15.03.81. Бюллетень Рй 10

Дата опубликования описания 18.03.81 (53) УДК 621.316. .925 (088.8) В. К. Обабков и Ю; Н. Целуевский (72) Авторы изобретения

Донецкий ордена Трудового Красного Зн политехнический институт (71) Заявитель (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ ПОЛНОГО

ТОКА ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

Изобретение относится к электроэнергетике и предназначено для компенсации емкостной и активной составляющих тока однофазного замыкания на землю, в том числе и для гашения перемещающейся цуги в трехфазных электрических сетях, и может быть использовано также для введения поисковых колебаний и регулирования добротности контура нулевой последовательности сети.

Известны устройства, содержащие помимо дугогасяшего реактора, блок выбора поврежденной фазы и дополнительную емкость или индуктивность. Блок выбора поврежденной фазы подключает дополнительную емкость к фазе, отстающей от поврежденной или дополнительную индуктивность к фазе,. опережающей поврежценную (lg.

Недостатком этого устройства является наличие высоковольтных коммутирующих устройств, невозможность плавного регулирования компенсации активной составляющей тока однофазного замыкания и влияние дополнительно подключаемых реактивных элементов на настройку компен сании емкостной составляющей тока замы кания. Высоковольтных коммутаций и сложности регулирования можно было бы избежать, применив трезфазный дугогасящий аппарат, содержащий три катушки с регулируемой индуктивностью, постоянно включенные между фазами сети и землей, однако, при этом остается влияние наст1О ройки компенсапии активной составляющей на компенсацию емкостей составляющей, . возникает опасность феррорезонансных явлений и значительных смещений нейт рали в нормальном режиме, устройство

IS компенсации заметно усложняется, а надежность его снижается из-за того, что дугогасящие катушки в фазах непрерывно находятся под напряжением.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для компенсации емкостной и активной составляющих тока оанофаэного замыкания, содержащее однофазный трансформа813587 активной сОставляющей в нормальном реж жиме работы сети.

Цель изобретения — повышение быстродействия и надежности.

Укаэанная цель достигается тем, что в устройство для компенсации полного тока однофаэного замыкания на землю, и содержащее дугогасящий реактор, включенный в нейтраль сети, блок распоэ10 навания режима замыкания и источник напряжения, введены оцнофазный зависимый инвертор, управляемый выпрямитель и диод, причем вход управляемого выпрямителя поцключен к источнику напряжеt5 ния, вход управления — к блоку распознавания режима замыкания, а выход зашунтир ован встр ечн о включенным ци оц ом и подключен к вхоцу однофазного зависимого инвертора, выкоц которого вклю10 чен последовательно с дугогасящим реактором.

Кроме того, однофаэный зависимый инвертор выполнен в вице мостовой тиристорной схемы, между аноцами и управляющими электродами тиристоров которой включены цинисторы, катоды которых поцключены к управляющим электродам тиристоров. тор, включенный последовательно с дуго гасящим реактором и блок выбора повре денной фазы, связанный с первичной обмоткой трансформатора и выполняющий одновременно функции блока распознавания режима замыкания. При возникновении однофазного замыкания блок выбора поврежденной фазы распознает укаэанны режим и поцключает первичную обмотку трансформатора к одному из линейнык на пряжений в зависимости от того, какая фаза оказывается поврежденной (2$.

Регулирование компенсации активной составляющей в QBHHoM устройстве весьма затруднительно (особенно в режиме замыкания), так как должно осушествлят ся путем переключения отпаек трансформатора, Это также прицает регулировани дискретный характер и снижает его точность. Настройка компенсации с помощью например, магнитного усилителя, включен ного межцу блоком выбора поврежценной фазы и первичной обмоткой трансформатора, также малоэффективна, поскольку индуктивное сопротивление магнитного усилителя, становясь параметром контура ну левой последовательности Сети, изменяет настройку компенсации емкостной состав ляющей и отвлекает на себя значительную часть реактивной мощности цугогасяшего

30 реактора, что делает реализацию упомянутого магнитного усилителя весьма громоздкой. Кроме того данное устройство.обладает недостаточно высоким быстродействием, так как требует времени на осуществление коммутаций в силовых цепях при возникновении замыкания, когца высокое быстродействие системы является решающим фактором в предупреждении аварийного искоца однофазного замыкания. При замене трансформатора на генератор пе- 40 ременного тока быстродействие также не повышается, поскольку при этом требуется значительное время на разгон генератора при возникновении замыкания. Кроме того, наличие вращающикся машин снижа- 45 ет нацежность устройства, необхоцимость же специального ик выполнения повышает стоимость. Это устройство прецназначено лишь для компенсации токов однофазного замыкания и не может быть использова- 50 но цля управления цобротностью контура нулевой послецовательности, цля введения поисковых сигналов в цобротность контура нулевой послецовательности и являться элементом автоматического оегулятора настройки компенсации емкостей составляющей тока замыкания и элементом системы поцготовки компенсации

При этом, оцнофаэный зависимый инвертор выполнен в вице мостовой тиристорной схемы; межцу анодами и управляющими электродами тиристоров которой включены соециненные встречно-последовательно стабилитроны и циоды, причем к управляющим электродам тиристоров подключены аноды стабилитронов.

На чертеже изображена функционально принципиальная схема устройства.

Схема содержит цугогасящий реактор

1, включенный послецовательно с ним однофазный зависимый инвертор 2, соединенный с управляемым выпрямителем

3, который эашунтирован диодом 4. Управляемый выпрямитель 3 соцержит трекфазную двукпалупериоцную выпрямительную схему на тиристорах 5, 6, 7, 8, 9 и 10 и блок 11 управления тиристорами 5-10. Инвертор 2 состоит иэ мостовой тиристорной схемы, выполненной на тиристорах 12, 13, 14 и 15, и блока 16 управления тиристорами 12 - 15, Устройство снабжено также блоком 17 распознавания режима замыкания, на вкоц которого поцано напряжение e (t) смещения нейтрали, выхоц которого поцан на вкоц блока 11 управления. Блок

16 управления содержит динисторы 18, 19, 20 и 21, включенные межцу анода81М87 ми и управляющими электроцами тиристооов 12 - 15 таким образом, что к управляюшим электродам тиристоров 1215 подключены кятоцы цинисторов 18-21, Устройство работает следующим обра зом.

В режиме оцнофазного замыкания блок 17 распознавания режима замыкания поцает на вхоц блока 11 управления тиристорами 5-10 управляемого выпрямителя 3 сигнал Z., разрешающий появление на выкоце выпрямителя 3 постоянного напряжения 0„, пропорционального сигналу управления U . Инвертор 2 преобразует постоянное напряжение V, управляемого выпрямителя 3 в переменное напряжение Е (с), совпацяющее по частоте и противоположное по фазе с током 3 (Ф) дугогасяшего реактора. В результате инвертор 2 отдает в контур нулевой послецовательности сети активную мошность, компенсируюшую потери в цугогасяшем реакторе и активнык проводимостях утечки между фазами сети и землей. Другими словами, ввецение в контур нулевой послецовательности напряжения, противоположного по фазе току через цугогасяший реактор, эквивалентно органиэации в указанном контуре по» ложительной обратной связи, эя счет че- . го цостигается повышение цобротности контура нулевой послецовательности сети, влекущее за собой (в условиях резонансной настройки цугогасяшего реактора) компенсацию полного тока замыкания в режиме глухого однофазного замыкания на землю и гашение дуги в режиме перемешаюшегося дугового замыкания. Регулирование компенсации активной составляющей осушествляется изменением напряжения ()п(1) на вхоце инвертора 2 путем изменения сигнала o(t) ня входе управляемого выпрямителя 3, и может быть автоматизировано тяк же, кяк и настройка цугогасяшего реактора, с помошью соответствуюшик устройств. Изменение полярности напряжения Vg(t) HB входе инвертора преврашяет положительную обратную связь в отрицательную и вызывает снижение цобротности контура нулевой последовательности.

Подробнее работу устройства целесообразно рассмотреть отдельно для режима глухого замыкания и режимя перемеШаюшегося цугового замыкания.

В режиме глубого зямыкяния контур нулевой послеповятельности сети описывается слецуюшей системой дифференци.альных уравнений

i>(t)+g(<) (1) 3(t)- 3 ()+C ++g e(t) =3„ (t);(2)

de(t)

e(t)-1. -Р.)Р)-Е„(+)=О; (З).

4 И )

Е (t)=F(3(t)) < ) <0

9(1)=1, 008(Ф +У,. ); (Ф)=Э С00(д, +Ч.) .

Е(+) = 6 cos(uof+v ), представив сигнал Е„() в вице

".„(t)=-Екco9(< h2(t) iê=Ó()и если U ИФВЭ.. где колебательный член т (е) содержит все гармонические составляюшие сигналя

Eg(<) с частотами (2„+1)u>, и ), 2, 3.... Последним в дальнейших,ряссужгде 1 — индуктивность ду»

)S гасящего реактора

1; — активное сопротивление его обмотки;

С и < ; - суммарная емкость и

20 и активная проводимость между фа зами сети и землей; с - проводимость места

23 замыкания;

Р(с) напряжение смеше» ния нейтрали;

-)И) — ток через дугогасяший реактор 1;

) И) - ток через место замыкания; ис(0-"3> cos(mt+ ч) — ток несимметрии сети в нормальном режиме;

3S

Е ()=Е> cd e>t - напряжение источника поврежценной фазы.

Функциональная зависимость Ф напряжения E),() на выходе инвертора 2 от

40 тока g(a) через дугогасяший реактор, E (+)=-U у (+)

Вынужденное решение системы (1) (4) ишем в вице

813587

15 (8) 20

55 дениях пренебрегаем ввиду фильтрующих свойств дугогасящего реактора. Амплиту

Величина 3> также может быть определена из уравнений (1 ) — (4 ), однако, учитывая, что в режиме глухого замыканИЯ в высокОвольтной сети Р, Е5п,, величину 3 с достаточной степенью точности можно определить иэ выражения — tI2 д =Е (а) ь +К )

Точная настройка компенсации емкостной составляющей тока однофазного замыкания означает выполнение равенства

}(g-k„) (,(CiK„)=0 (6) ttt

Выполнение равенства (6) может быть обеспечено путем соответствующей настр ойки индуктивности 1 дугогасящего реактора 1.

Очевицно, что соответствующим выбором величины О0 и, как следствие; Е „ можно одновременно добиться выполнения условия

Nf(R }(C+ktt)+L(g K<}j=01 (72

Ъ т. е. компенсации также и активной сосф тавляющей тока замыкания. феобхо1 имо отметить, что, поскольку, (- — )(g-tI tt)»»< настройка компенсации ди активной составляющей прахтйчески не влияет на настройку компенсации емкостиой составляющей. Совместное вы условий (6) и (7) приводит к тому, что амплитуда тока через место замыка3 ttt ния обращается в О, что говорит о компенсации полного тока замыкания. Поскольку величина Utt, необходимая для компенсации активной составляющей, зависит от параметров сети, эффективность устройства может быть повышена приме» нением какогопибо иэ известных устройств автоматического регулирования компенсации активной составляющей.

В период бестоковой паузы в режиме перемещающегося дугового замыкания частота и фаза напряжения Е„(<) опре деляемая частотой и фазой тока 3(+) через дугогасящий реактор 1, равна час тоте и фазе свободных колебаний в контуре нулевой последовательности сети. ца и фаза тока y+(t:I через место эамыкантуя определяется иэ выражения

В результате.компенсации потерь в контуре нулевой последовательности сети эа счет энергии, отдаваемой инвертором

2, в контуре устанавливаются незатухающие колебания, параметры которых можно определить, например метоцом гармонического баланса из уравнений (1) -(3), положив в них с =О. При этом амплитуо

qa 71П и частота и 1 автоколебаний тока 3(+) через дугогасящий реактор 1 имеют вид

Е с 1+ R< Qc>bq; те+сg ® I.c с 1 с

При точной настройке компенсации емкостной составляющей частота автоколебаний uD> равна частоте сети ю, а фаза напряжения P (+) смещения нейтрали противоположна фазе источника повреж. денной фазы. Соответствующей настройкой величины E 1», определяемой напI ряжением 0 на входе инвертора можно

П добиться того, чтобы амплитуца напряжения смещения нейтрали равна амплитуде Е „„напряжения источника поврежденной фазы. При этом напряжение на поврежценной фазе поддерживается равным нулю, что приводит к гаше нию перемежающейся цуги. Выражения (8) говорят также о необхоцимости неограниченного нарастания напряжения смещения нейтрали IlpH отсутствии автоматического регулирования компенсации активной составляющей.

Работа инвертора 2 происходит следующим образом.

При положительном направлении тока

Э(Ф) через дугогасящий реактор 1 блок

16 управления подает отпирающий сигнал HB тиристоры 12 и 14. ЭДС управ50 ляемого выпрямителя 3 при этом оказывается включенной в нейтраль в направI лении, сопровожцающем с током 3(Ф;.

B следующий полупериод, после изменения полярности тока 3(t) тиристоры 12 и

14 запираются в связи с изменением полярности протекающего через них тока, I а блок 16 управления подает отпирающий сигнал на тиристоры 13 и 15. НапряжеC) 81358 ние E„(t) при этом инвертируется и 3L(C управляемого выпрямителя продолжает быть включенной в направлении, совпацающем с током 3(+) . При достаточно больших углах запаздывания отпирания тиристоров 5-10 управляемого выпрямителя 3 может наблюдаться обрыв цепи тока 3(t), что привоцит к скачкообразному повышению напряжения на инверторе 2 вплоть цо амплитуцы фазного нап- 10 ряжения сети. Это представляет опасность для тиристоров 5-10 и 12-15 инвертора

2 и управляемого выпрямителя 3, а также приводит к резкому возрастанию амплитуды напряжения на поврежценной фазе. f$

Для предотвращения подобных явлений уп- равляющий выпрямитель 3 зашунтирован циодом 4, включенным встречно по отношению к напряжению выпрямителя 3.

При этом разрыв цепи выпрямителя 3 привоцит к тому, что ток цугогасящего реактора 1 замыкается внутри инвертора через диод 4.

Схема управления тиристорами может быть значительно упрощена, à нацежность ее повышения за счет исключения возможности короткого замыкания управляемого выпрямителя 3 через тиристоры

12-13 или 14-15 инвертора 2 в случае открывания одной из пар ти ристоров 1 3 Зй и 15 или 12 и 14 в тот момент, когда тиристоры противоположной пары (соответственно 12 и 14 и 13 и 15) еще не закрылись.

Для этого блок 16 управления выполняется в вице четырех цинисторов 1 8-21.

Управляющие электроды тиристоров 1215 должны быть подключены к катодам динисторов 18-21, GHOgbl цинисторов

18-21 цолжны быть поцключены к ано- щ цам тех же тиристоров 12«15. Напряжение отпирания цинисторов 18-21 должно превышать максимально возможное значение Бк

После очередного прокождения тока

3(t) через нуль все тиристоры 12-15 мостовой схемы оказываются запертыми и цепь тока дугогасяшего реактора размыкается. В результате происходит быстрое нарастание напряжения Е к(1! в полярности, совпацаюшей с полярностью

0(О . Вместе с этим растет напряжение, приложенное в отпираюшей полярности к тиристорам 12-15, причем напряжение на тиристорах, которых цолжны быть открыты на данном полупериоце (например

12 и 14), оказывается больше напряжения на цругой паре тиристоров (например

13 и 15) на величину, примерно равную

7 10

E . Поэтому напряжение на тиристорах первой пары (12 и 14) и равное ему напряжение на динисторах 10 и 21 быстрее достигают порога отпирания динисторов 19 и 21, в результате чего в цепи управляющик электроцов именно этой пары появляется импульс тока, отпирающий соответствующие тиристоры. На следующем полупериоде те же процессы повторяются цля второй пары тиристоров (13 и 15) и динисторов (18 и 19), Динисторы 18-21 в блоке 16 управления могут быть заменены на включенные встре но-последовательно стабилитроны и диоцы. В этом случае к управляющим электродам тиристоров 12-15 должны быть поцключены аноцы стабилитронов, а к анодам тиристоров 12-15 поцключаются аноды циоцов.

Схема инвертора может быть выполнена и иначе, например "со срецней точкой . Принцип работы устройства при этом сохраняется.

При отсутствии замыкания на землю по сигналуЛ(1) с блока 17 распознавания режима замыкания блок 11 управле ния тиристорами 5-10 прекращает подачу управляющих сигналов на тиристоры

5-10. Послецние запираются и величина

Оп становится равной нулю. Таким образом, в нормальном режиме устройство не оказывает влияния на процессы в.контуре нулевой последовательности сети.

Если не прекращать полностью подачу управляющего сигнала на тиристоры 510 в нормальном режиме работы сети, то данное устройство может быть использовано также цля ввецения поисковык колебаний по добротности контура нулевой последовательности сети, что необходимо, например, при построении систем селективной земляной сигнализации и систем автоматической настройки компенсации емкостнык токов. Кроме того, оно позволяет регулировать добротность контура нулевой послецовательности сети. Например, изменение полярности напряжения

Фп при соответствукяцем выполнении источника этого напряжения позволяет понизить добротность контура нулевой послецовательности, что необкоцимо в нормальном режиме работы сети цля прецотврашения резонансных перенапряжений, а также перенапряжений, вызванных неполнофазными режимами и феррорезонансными явлениями. Использование же этого устройства в нормальном режиме без изменения полярности 0п приводит при цостижении

81 35H 7

Источники информ&нину

4$ принятые во внимание при экспертизе

1. Вильгейм P., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. M ., ГЭИ, 1959, с. 208-210.

2. Там же, рис. 162,б.

11

uocraroчнай величины к появлению в контуре нулевой послецовательности сети автоколебаний с параметрами, определяемыми из выражений (8) и (9) .

Поскольку частота автоколебаний несет информацию о величине и знаке расстройки компенсации, а амплитуца — о величине активных потерь в контуре нулевой послецовательности сети, то измеряя эти параметры при помощи соответствующих устройств, можно в нормальном режиме осуществлять не только автоматическую настройку компенсации емкосткой состав пяющей, но также и подготовку к компенсации активной составляющей тока однофазного замыкания на землю. Все это обеспечивает расширение функциональных возможностей устройства.

Применение данного устройства позволяет избежать громоздкого, дорогостоящего и малонадежного силового оборудо вания, характерного для известных уст— ройств в том числе мощных переключателей и вращающихся машин с устройствами управления ими. Это позволяет упростить, уцешевить и повысить нацежность системы компенсации. Последнее особенно важно в сетях прецприятий со взрывоопасной атмосферой, в частности, в сетях горных предприятий. Элементы предлагаемого устройства - управляемый выпрямитель 3 и инвертор 2, практически безынерцнониы, что обеспечивает устройству высокое быстродействие. Мощность, отдаваемая в сеть инвертором и потребляемая управляемым выпрямителем, равна мощности активных потерь в контуре нулевой последовательности при однофазных замыканиях. Это позволяет, в отличие от известных устройств, избежать выполнения силового оборудования устройства более мощным, чем это требуется для ком» пенсации активной составляющей и повышает его экономичность. Совместное применение цанного- устройства с устройствами автоматической настройки компенсации емкостной и активной составляющих тока однофазного замыкания на землю, в том числе в качестве составной части этий устройств, позволяет значительно повысить нацежность работы электрических сетей и бесперебойность электроснабжения потребителей.

Формула изобретения

1. Устройство цля компенсации полного тока оцнофазного замыкания на зем-!

О лю, соцержащее цугогвсящий реактор, включенный в нейтраль сети, блок распознавания режима замыкания и источник напряжения, o r л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения быстродей1$ ствия и надежности, в него введены оцнофазный зависимый инвертор, управляемый выпрямитель и диод, причем вхоц управляемого выпрямителя подключен к источ. нику напряжения, вход управления — к . блоку. распознавания режима замыкания, а выход зашунтирован встречно включенным циодом и подключен к вхоцу однофазного зависимого инвертора, выход которого включен .последовательно с цугогасящим реактором.

2. Устройство по и. 1, о т л и ч а— ю щ е е с я тем, что однофазный зависимый инвертор выполнен в виде мостовой тиристорной схемы, между анодами и управляющими электродами тиристоров которой включены цинисторы, катоды которых подключены к управляющим электродам тиристоров$$ 3. Устройство по и. 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что оцнофазный зависимый ийвертор выполнен в виде мостовой тиристорной схемы„межцу анодами и управляющими электродами тиристоров

40 которой включены соециненные встречнопоследовательно стабилитроны и диоды, причем к управлйощим электроцам тирис- торов подключены аноцы стабилитронов.

813587

/rvr4mpavtv сгег и

Составитель Г. Дамская

Редактор Е. дорошенко Техред Н.Ковалева Корректор Н. Стец.

Заказ 787/70 Тираж 675 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4