Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОТНОСИТЕЛЬНО ЗЕМЛИ В КОМПЕНСИРОВАННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для измерения параметров контура нулевой последовательности в компенсированных электрических сетях 6-35 кВ, в том числе, и в сетях с комбинированным режимом заземления нейтрали через дугогасящий реактор и включенный параллельно ему высокоомный резистор.

Известен способ измерения емкости относительно земли в компенсированных электрических сетях, включающий создание на нейтрали искусственного потенциала путем введения в контур нулевой последовательности сети источника непромышленной частоты и измерение напряжения смещения нейтрали и тока дугогасящего реактора. Из этих электрических величин выделяют спектральные составляющие, соответствующие промышленной 50 Гц и непромышленной, в зависимости от используемого источника непромышленной частоты, повышенной 100 Гц или пониженной 25 Гц частот, определяют проводимости, представленные соответствующими соотношениями спектральных составляющих тока и напряжения, а затем по формулам рассчитывают емкость сети относительно земли [1].

В случае использования в качестве источника непромышленной частоты генератора, формирующего две значимые частоты спектра, близкие к промышленной частоте, например 41,67 Гц и 58,33 Гц [2], процесс измерения оказывается менее зависим от изменения нагрузки и может применяться в высокосимметричных кабельных сетях.

Применение в качестве источника непромышленной частоты генератора переменной частоты позволяет путем сканирования рабочей частоты выявить режим резонанса в измеряемом контуре и определять параметры сети, используя данные измерений на резонансной частоте [3]. На резонансной частоте измеряемые сигналы имеют максимальные уровни, что обуславливает повышение точности измерения.

Все рассмотренные технические решения основаны на использовании вспомогательного источника непромышленной частоты и эффективны для измерений в избирательных контурах с повышенной добротностью, когда собственная частота контура нулевой последовательности близка к промышленной. При расхождении собственной частоты измеряемого контура с промышленной частотой величины измеряемых сигналов оказываются соизмеримыми с уровнем помех и погрешность измерений возрастает. В случае измерений в низкодобротном контуре с пониженными избирательными свойствами, каковым является контур нулевой последовательности в сетях с комбинированным режимом заземления, погрешность измерений оказывается недопустимо большой. Другим недостатком является необходимость применения сложного энергоемкого оборудования в виде специализированного источника непромышленной частоты.

Известен способ измерения без использования вспомогательного источника, включающий несколько измерительных процедур: первое измерение фазного напряжения, напряжения смещения нейтрали и тока дугогасящего реактора и второе измерение этих же величин с временно подключенной между одной из фаз сети и земли эталонной емкостной цепью. Затем по данным измерений и известным параметрам дугогасящего реактора определяют параметры сети относительно земли.

Измерения с эталонной емкостной цепи позволяют более строго определить параметры сети и повысить точность измерений. Однако данный способ эффективен лишь в настроенных сетях, когда напряжение и ток в цепи нейтрали имеют наибольшие значения и заметно превышают уровни шумов. При измерении в сетях с глубокой расстройкой, а также в высокосимметричных кабельных сетях требуются технические мероприятия по созданию перекоса фаз, с целью повышения уровня измеряемых сигналов.

В сетях с комбинированным режимом заземления данный способ практически неработоспособен. К тому же, данный способ требует обработки большого объема данных, получаемых по разным каналам измерения, что обуславливает повышенные требования к погрешности измерительной аппаратуры. Эти недостатки ограничивают область применения данного способа.

В основе всех рассмотренных способов лежит принцип частотного анализа информационных сигналов: все измерения производятся в стационарном режиме работы оборудования и связаны с выделением действующих значений гармонических составляющих. Это обусловливает использование вспомогательного энергетического оборудования с повышенной установленной мощностью. Область применения этих методов ограничена чувствительностью измерительных органов. Они малоэффективны для измерений при большой глубине расстройки сети и практически неработоспособны в сетях с комбинированным режимом заземления нейтрали.

Целью предлагаемого способа является повышение точности измерения параметров сети относительно земли, снижение установленной мощности электрооборудования и расширение области применения.

Сущность предлагаемого технического решения заключается в том, что в способе измерения параметров относительно земли в компенсированных электрических сетях, включающем создание на нейтрали искусственного потенциала и измерение напряжения смещения нейтрали, искусственный потенциал создают кратковременным возмущением в контуре нулевой последовательности сети, выделяют из фиксируемого напряжения свободную составляющую переходного процесса, определяют частоту и декремент затухания свободных колебаний и по известным параметрам одного из участков цепи контура нулевой последовательности определяют параметры сети относительно земли.

Во втором варианте технического решения упомянутое возмущение создают кратковременным подключением вспомогательного источника к цепи дугогасящего реактора, а параметры сети определяют по измеренным параметрам свободных колебаний в контуре нулевой последовательности и известным параметрам дугогасящего реактора.

В третьем варианте технического решения упомянутое возмущение создают кратковременным подключением емкостной цепи по крайней мере к одной из фаз сети относительно земли.

В четвертом варианте технического решения, включающем первое измерение напряжения в контуре нулевой последовательности сети и второе измерение с временно подключенной эталонной емкостной цепью, в измеряемом контуре создают кратковременное возмущение, выделяют из фиксируемого напряжения свободную составляющую переходного процесса, определяют частоту и декремент затухания свободных колебаний и по соотношению параметров свободных колебаний в контуре нулевой последовательности с эталонной емкостной цепью и без нее и известным параметрам эталонной емкостной цепи определяют параметры сети относительно земли.

В пятом варианте технического решения второе измерение выполняют в искусственном контуре, образованном подключением эталонной емкостной цепи к цепи дугогасящего реактора, временно отключенной от электрической сети.

В шестом варианте технического решения в качестве эталонной емкостной цепи используют магазин эталонных конденсаторов и резисторов и путем их подбора определяют параметры сети по соответствию свободных колебаний в искусственном контуре и контуре нулевой последовательности сети.

В седьмом варианте технического решения упомянутое возмущение в искусственном контуре создают подключением предварительно заряженной эталонной емкостной цепи.

В восьмом варианте технического решения упомянутое возмущение в измеряемых контурах создают кратковременным подключением вспомогательного источника к цепи дугогасящего реактора.

В девятом варианте технического решения свободную составляющую переходного процесса определяют в виде разностного сигнала, полученного путем наложения двух участков осциллограммы напряжения, зафиксированных до и после кратковременного возмущения.

В десятом варианте технического решения свободную составляющую переходного процесса определяют в виде разностного сигнала, полученного путем наложения двух участков осциллограммы напряжения, зафиксированных после кратковременного возмущения до окончания апериодического переходного процесса и после его окончания.

Суть предложенного технического решения заключается в определении переходной характеристики контура нулевой последовательности сети, несущей полную информацию о собственной частоте и параметрах контура. В основу его положен принцип анализа информационных сигналов во временной области. Это принципиальное отличие заявляемого способа от известных технических решениях.

Чтобы вызвать в измеряемом контуре переходной процесс, достаточно создать в нем кратковременное возмущение. Свободная составляющая переходного процесса может быть выделена из одного информационного сигнала, например, из осциллограммы напряжения, снимаемого с секционного трансформатора напряжения или с одной из обмоток дугогасящего реактора, либо осциллограммы напряжения, снимаемого с токового шунта в цепи основной обмотки дугогасящего реактора. В предложенном техническом решении свободная составляющая выделяется в виде разностного сигнала, получаемого путем наложения двух фрагментов осциллограммы напряжения, фиксирующих стационарный и апериодический переходной процессы. При таком подходе точность определения свободных колебаний практически не зависит от уровня шумов и погрешности измерительного канала и точность определения параметров сети существенно выше, чем в аналогах.

Данный способ имеет более широкую область применения: он может эффективно применяться в сетях с малым уровнем полезного сигнала, где известные способы либо оказываются неработоспособными, либо дают очень большую погрешность измерения.

В предложенном способе возмущение в измеряемом контуре создается импульсным источником, который может быть подключен к основной или сигнальной обмотке дугогасящего реактора. Длительность импульса составляет доли секунд, чтобы исключить срабатывание устройств релейной защиты. Поскольку вспомогательный источник работает в экономичном импульсном режиме с большой скважностью, то его установленная мощность оказывается много меньшей, чем в аналогах.

Необходимое возмущающее действие может быть создано коммутацией емкостной цепи с одним или тремя конденсаторами, подключаемой к фазам сети относительно земли. Вариант с тремя конденсаторами исключает несимметричный режим сети.

Способ, включающий измерение в искусственном контуре, образованном кратковременным подключением реальной цепи заземления к эталонной емкостной цепи, позволяет произвести измерения параметров сети с учетом паразитных параметров установленного оборудования. Данному варианту нет аналогов среди известных технических решений.

На фиг.1 приведена одна из возможных функциональных схем, реализующая способ с измерением напряжения с помощью секционного трансформатора; на фиг.2 - схема, реализующая способ с дополнительным измерением в искусственном контуре; на фиг.3 - экспериментальная осциллограмма напряжения смещения нейтрали, фиксирующая стационарный и переходной процессы в контуре нулевой последовательности на одной из секций подстанции 6,3 кВ; на фиг.4 - осциллограмма, фиксирующая переходной процесс в искусственном контуре, образованном переключением цепи заземления этой же секции на эталонную емкостную цепь.

Функциональная схема на фиг.1 содержит: электрическую сеть 6-35 кВ, подключенный к сети через подземляющий трансформатор 1 дугогасящий реактор 2, сигнальная обмотка которого подключена к источнику импульсного тока 3, проводимости фаз сети 4 относительно земли и измерительный трансформатор напряжения 5, с обмотки «разомкнутый треугольник» которого снимается напряжение смещения нейтрали. Это контрольное напряжение фиксируется в блоке регистратора 6. В блоке вычислений 7 производится цифровая обработка данного сигнала, определение частоты и декремента затуханий свободных колебаний, а затем по известным параметрам дугогасящего реактора определение проводимости фаз 4 относительно земли. Блок управления 8 обеспечивает согласованный по времени режим работы регистратора 5 и источника тока 3.

В том случае, когда искусственное возмущение создается коммутацией в одной из фаз сети конденсатора 10, блок управления 8 обеспечивает согласование по времени работы блока регистратора 6 с выключателем 9. При этом импульсный источник питания 3 не используется, а в блок вычислений 7 вводится функция расчета проводимости сети 4 по известным параметрам емкостной цепи.

В схеме на фиг.2 контрольное напряжение снимается с силовой обмотки дугогасящего реактора 2 с помощью однофазного измерительного трансформатора напряжения 5. Если применяется дугогасящий реактор 2 с несколькими обмотками, то контрольное напряжение может сниматься с одной из его обмоток, при этом измерительный трансформатор 5 не используется.

С помощью высоковольтного коммутатора 11 цепь заземления, состоящая из последовательно включенных подземляющего трансформатора 1 и дугогасящего реактора 2, кратковременно переключается на эталонную емкостную цепь 12. Возмущение в созданном таким образом искусственном контуре может производиться либо тем же импульсным источником питания 3, подключенным к одной из обмоток реактора 2, либо источником тока 13, кратковременно подключаемым с помощью коммутатора 14 непосредственно к емкостной цепи 12. В случае переключения цепи заземления на предварительно заряженную емкостную цепь 12, переходной процесс в искусственном контуре регистрируется с момента коммутации коммутатора 14. Согласование режимов работы коммутаторов 11 и 14 с блоком регистратора 6 осуществляется блоком управления 8.

Устройство на фиг.1 работает следующим образом. В нормальном режиме работы сети в контрольной обмотке дугогасящего реактора формируется с помощью источника 3 короткий импульс тока и одновременно с ним запускается блок регистратора 6. В блоке регистратора 6 производится запись осциллограммы напряжения смещения нейтрали, охватывающей короткий временной интервал до момента воздействия импульса тока и весь временной интервал переходного процесса, обусловленного импульсным воздействием. В вычислительном блоке 7 производится выделение двух фрагментов осциллограммы, в одном из которых присутствует свободная составляющая переходного процесса, а в другом она отсутствует. Из этих двух фрагментов выделяется разностный сигнал в виде осциллограммы свободных колебаний, которая представляет свободную составляющую переходного процесса, затем определяются частота и декремент затухания свободных колебаний и по известной проводимости дугогасящего реактора находится проводимость сети 4.

При применении в цепи заземления плавно регулируемого реактора возможна на время измерения установка плунжера в одно из крайних положений с определенным значением максимальной или минимальной индуктивности. В этом случае в блоке 7 параметры сети определяются с учетом индуктивности реактора, соответствующей положению плунжера. При этом точность измерения параметров сети зависит от соответствия расчетных данных на дугогасящий реактор установленному положению плунжера.

Вариант с кратковременным подключением к фазе сети относительно земли конденсатора 10 с известными параметрами позволяет выполнить необходимые замеры при неопределенных параметрах цепи заземления. В этом случае требуется больший объем данных измерений, поскольку необходима регистрация блоком 6 стационарных и переходных процессов, создаваемых в контуре нулевой последовательности сети при подключении и отключении конденсатора 10. По этим двум замерам в вычислительном блоке 7 определяются параметры свободных колебаний в измерительном контуре с конденсатором и без него. Затем, по известным параметрам конденсатора 10, обуславливающим расхождение свободных колебаний в измеряемых контурах, определяется проводимость сети относительно земли.

Рассмотренный вариант технического решения дает более точный результат, поскольку исключает погрешность, обусловленную неучтенной ранее индуктивностью рассеяния подземляющего трансформатора 1 в цепи заземления. К тому же конденсатор, параметры которого используются при вычислениях, обладает более стабильными характеристиками, чем менее технологичные силовые реакторы.

В устройстве на фиг.2 высокая точность достигается за счет использования в искусственном контуре эталонной емкостной цепи 12, которая может быть собрана из недорогих конденсаторов и резисторов с низкими рабочими напряжениями, а также с малым разбросом и повышенной стабильностью параметров. Это обусловлено тем, что искусственный контур не связан с высоковольтной сетью и допускает работу при пониженных рабочих напряжениях. Так как в обоих контурах: контуре нулевой последовательности и искусственном контуре используется одна и та же заземляющая цепь, а также одни и те же цепи возбуждения и измерения, то расхождения частоты и декремента затухания свободных колебаний в этих контурах могут быть обусловлены только различием проводимостей емкостных цепей. В данном устройстве проводимость фаз сети относительно земли определяется в блоке вычисления 7 по соотношению параметров свободных колебаний в контуре нулевой последовательности сети и искусственном контуре и известным параметрам эталонной емкостной цепи.

Если в качестве эталонной емкостной цепи используется магазин эталонных конденсаторов и резисторов, то путем их подбора могут быть созданы условия, при которых затухающие колебания в искусственном контуре совпадут со свободными колебаниями в контуре нулевой последовательности сети. Настроенная таким образом эталонная емкостная цепь представляет по существу натурный эквивалент проводимости фаз 4 контролируемой сети.

Поскольку измерения в искусственном контуре ведутся при пониженном напряжении, то возбуждение свободных колебаний может производиться непосредственным воздействием на емкостную цепь 12. В частности, переходной процесс в искусственном контуре может быть создан с помощью коммутатора 14, подключающего к емкостной цепи 12 источник тока 13, или с помощью того же коммутатора 11, подключающего заземляющую цепь к предварительно заряженной емкостной цепи 12.

Важно отметить, что высокая точность измерения в предложенном техническом решении достигается еще и за счет использования оригинального метода обработки информационного сигнала во временной области. Его применение обусловлено тем, что напряжение смещения нейтрали сильно зашумлено и зависит от самых различных факторов, включая небалансы в сети и режима заземления нейтрали. В естественных условиях для него характерно очень низкое соотношение сигнал/шум. В рассмотренном способе полезным является разностный сигнал, который формируется совмещением выделенных фрагментов аналогового сигнала, снимаемого только с одного измерительного канала. При таком подходе практически полностью исключается влияние на результат измерения естественных шумов в нейтрали, уровень которых может многократно превышать полезный сигнал, а также шумов, вносимых самим измерительным каналом. Снижению шумов способствует и короткий временной интервал регистрируемого сигнала, определяемый длительностью возмущающего действия, переходного процесса и соизмеримого с ним стационарного процесса. Для получения полезного информационного сигнала может использоваться источник импульсов с длительностью, соизмеримой с периодом промышленной частоты.

Эффективность предложенного технического решения подтверждена на практике при измерении в распределительных городских сетях.

Приведенная на фиг.3 одна из экспериментальных осциллограмм напряжения смещения нейтрали 3U₀ фиксирует стационарный и переходной процессы в контуре нулевой последовательности при нормальном режиме работы сети, когда все отходящие линии секции находятся в работе. Измеряемая секция заземлена через подземляющий трансформатор типа ТМ400/6 и два параллельно включенных дугогасящих реактора: реактор типа ЗРОМ 300/6У1 с отпайками на токи 24,5…48,6 А, подключенный 1-й ступенью, и плунжерный реактор типа РЗДПОМ 300/6У1 на токи 13,1…65,5 А. Возмущение в контуре нулевой последовательности сети создается источником импульсного тока, подключенным к сигнальной обмотке плунжерного реактора. Приведенная справа на фиг.3 осциллограмма 3U_0.cв соответствует свободной составляющей переходного процесса, выделенной из экспериментальной осциллограммы путем наложения участка 2, соответствующего переходному процессу, на участок 1, соответствующий стационарному процессу. Результаты обработки осциллограммы свободной составляющей следующие: собственная частота измеряемого контура составляет 51,5 Гц, что соответствует коэффициенту расстройки сети 6,5%, а его добротность - 7,07, что соответствует общей активной проводимости измеряемого контура - 1,57 мСм. Параметры сети: емкость сети относительно земли - 34,3 мкФ, активная проводимость фаз - 1,247 мСм.

При определении параметров сети использовались параметры цепи заземления, которые были определены при проведении измерений в искусственном контуре (фиг.4).

Используемая в искусственном контуре эталонная емкостная цепь была собрана из двух конденсаторов типа МБГП на рабочее напряжение 400 В. Общая емкость эталонной цепи составляла 36 мкФ, активная проводимость - 0,087 мСм. Возмущение в искусственном контуре производилось через ту же сигнальную обмотку плунжерного реактора. Выделенная свободная составляющая, приведенная справа на фиг.4, указывает на малое затухание свободных колебаний в искусственном контуре. Собственная частота искусственного контура согласно осциллограмме напряжения составляет 50,4 Гц, а добротность - 35,2, что соответствует полной активной проводимости контура 0,323 мСм. Этим данным соответствуют параметры цепи заземления: индуктивность параллельно включенных реакторов - 0,277 Гн, суммарная активная проводимость - 0,236 мСм.

Полученные таким способом данные измерений позволяют учесть вклад паразитных параметров установленного в цепи заземления электрооборудования, в том числе, и подземляющего трансформатора, и наиболее точно определять параметры сети относительно земли.

Таким образом, предложенный способ обладает повышенной точностью измерения и меньшей установленной мощностью вспомогательного оборудования. Он имеет более широкую область применения, чем известные аналоги. Предложенный способ может эффективно использоваться в кабельных, воздушных и воздушно-кабельных сетях с любым значением допустимой несимметрии, а также в сетях с комбинированным режимом заземления, отличающихся пониженной добротностью контура нулевой последовательности сети.

По мнению авторов, данное техническое решение является новым, ранее неизвестным и существенно отличается от аналогов.

Источники информации

1. Черников А.А. Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью. М.: Энергия, 1974, с.83-84.

2. Gernot Druml, Olaf Seifert. Дугогасящие реакторы 6-35 кВ. Новый метод определения параметров сети // Новости Электротехники, 2007, №2(43), с.64, рис.11, 12.

3. Патент РФ 2170938 (Россия). Способ измерения емкости сети для автоматической настройки дугогасящих реакторов (варианты)/ А.М.Брянцев и др. (прототип).

4. Патент РФ 2262116 (Россия). Максимов Ю.Я., Локтионов А.П. Способ определения максимального емкостного тока однофазного замыкания на землю в трехфазной кабельной электрической сети с заземляющим дугогасящим плавно регулируемым реактором.