ДИАГНОСТИКА ФАЗОВОГО РЕГУЛЯТОРА

ДУГОГАСЯЩЕГО РЕАКТОРА

Автореферат магистерской диссертации Бакуновской Н.В.

Донецкий государственный технический университет

 

Содержание


Введение

 

In the work the outcomes of simulation on a computer of phase measuring organs of regulators of ground-fault neutraliser are adduced. On the basis of outcomes of calculation the requirements to the scheme of self-testing are compounded. The functional check of the regulator by repair staff to be executed through the generator of test signals. Its principal diagram is adduced.

В электрических сетях напряжением 6-35 кВ для повышения надежности и безопасности широко применяется компенсация емкостных токов замыкания на землю при помощи плунжерных дугогасящих реакторов (ДР).

В кабельных электрических сетях с большими емкостными токами замыкания на землю в настоящее время для непрерывного поддержания резонансной настройки ДР в большинстве случаев применяются фазовые регуляторы, работающие только в нормальном режиме сети. Несмотря на их простоту и высокую надежность они все же имеют ограниченный ресурс безотказной работы. В условиях эксплуатации неисправность регуляторов обнаруживается лишь в процессе длительного неправильного функционирования системы автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю [1,2].

Таким образом, выход из строя электронных элементов регулятора может привести к появлению расстройки компенсации больше рекомендованной ПТЭ, которые предусматривают эксплуатацию компенсирующих устройств в режиме резонансной настройки или перекомпенсации при соблюдении условия превышения индуктивного тока реактора не более чем на 5 А относительно емкостного тока сети. Кроме того степень расстройки компенсации не должна превышать 5%. Режим недокомпенсации не рекомендуется из-за возможности появления смещения нейтрали больше 0,15 Uф.

 

 

1 Схема модели фазового регулятора

и ее работа

 

Известно несколько способов повышения функциональной надежности аппаратуры защиты и автоматики: повышение коэффициентов запаса по току и напряжению основных элементов схемы, повышение их мощности; резервирование элементов или цепей; применение схем с самоконтролем исправности основных цепей [3]. Для устройств релейной защиты и автоматики наиболее перспективным является использование схем самоконтроля. Для определения основных требований к работе схемы самоконтроля исправности регулятора ДР были проведены исследования на ЭВМ ряда схем фазовых детекторов с использованием программы IMDS.

В статье[4], был проведен анализ различных схем фазовых детекторов. Из шести рассмотренных в этой статье схем фазовых детекторов были выбраны три схемы с различной зависимостью сигнала на их выходе от коэффициента демпфирования d: квадратичной, линейной и не зависящей от d. Такими свойствами соответственно обладают детектор с перемножение входных сигналов, цифровой и с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) .

На рис. 1 приведена схема моделирования детекторов при помощи программы IMDS. По этой схеме выполняется расчет фазовых и суммарных характеристик трех детекторов.

Схема модели состоит из двух частей. Первая часть предназначена для формирования синусоидальных напряжений опорного Uоп и смещения нейтрали 3Uo. Во вторую часть модели входят структурные схемы трех детекторов: блоки 8-10 с перемножением входных напряжений; блоки 14-24 – цифрового; блоки 25-30 с ШИМ преобразованием. Так как блок умножения программы IMDS имеет три входа, то для перемножения двух сигналов на оставшийся свободный вход подается единичный сигнал при помощи задания константы К =1 в блоках 8 и 30. Блоки 13 и 12 это тоже схема фазового детектора с перемножением сигналов. Реализуется только его характеристика. Для этого последовательно соединяются блоки 12 и 13. Они обеспечивают вычисление напряжения на выходе детектора по соотношению :

где j - фазовый сдвиг входных напряжений детектора; КФД – коэффициент передачи.

Блок 12 моделирует сглаживающий фильтр. Его динамические свойства реализуются при помощи апериодического звена (AN).

Первая часть схемы рис.1 формирует гармоническое воздействие на все фазовые детекторы в зависимости от угла j и степени расстройки n дугогасящего реактора. Гармоническое воздействие генерируется блоками 1-7. Блок TI (1) выдает системное время t, которое после усилителей с коэффициентом передачи w преобразуется в сигнал w t, где w - угловая частота сети. Постоянный сдвиг по фазе между опорным напряжением Uоп и напряжением смещения нейтрали 3Uo на 90 эл. град. необходим для правильной работы фазовых детекторов. Такой сдвиг обеспечивается за счет одновременной подачи сигнала w t на блок синус SI и блок косинус СО. На вход блока SI сигнал w t поступает через сумматор, где он складывается со значение угла j . В схеме моделиро-

Рисунок1 – Структурная схема модели фазового детектора

вания предусмотрены два варианта формирования угла j . Константа К (блок 11) и интегратор (блок 31), соединенные последовательно, обеспечивают линейное изменение от времени угла j либо расстройки n . Пределы изменения угла устанавливаются от -p /2 до p /2. Если подключить выход блока 31 к первому входу делителя (блок 35) и на второй выход подать константу К равную d (блок 33), то на выходе делителя будет формироваться сигнал n /d. При задании блоком (11) величины n значение константы К задается –1. При расчете характеристик интегрирование продолжается до тех пор, пока при некотором значении t расстройка n станет равной +1. Блок АТ (34) реализует функцию arctg(x), поэтому на его выходе сигнал будет определяться соотношением:

Следовательно, во втором случае сигнал на выходе детектора Uфд(t) будет рассчитываться с учетом нелинейности фазовых характеристик сети и детектора, те выходной сигнал детектора определяется суммарным влиянием двух указанных нелинейностей.

Структурная схема детектора с перемножением состоит из последовательно соединенного умножителя Х (9) с апериодическим звеном AN (10). Звено AN выделяет постоянную составляющую результирующего сигнала.

Цифровой детектор (блоки !4ё 24) выполняет обработку прямоугольных импульсов, формируемых элементами RD 14,15 из положительных полуволн напряжений 3Uo и Uоп. Импульсы поступают на входы трех логических элементов 2И-НЕ (блоки 16ё 21), составленных :из логических блоков И (АL) и НЕ (NL). Звено RD в программе IMDS имеет два порога срабатывания один для отрицательных, а другой для положительных входных сигналов. Порог срабатывания для отрицательных сигналов принят в два раза больше максимально возможной амплитуды напряжений 3Uo и Uоп. В этом случае на выходе звена RD только положительные полуволны напряжений будут при нулевом значении второго порога превращаться в единичные прямоугольные импульсы с длительностью равной длительности полуволны соответствующего напряжения. Четвертый элемент 2И-НЕ (блоки 22,23) установлен на выходе детектора. Он подключен так, что изменение угла j между напряжениями 3Uo и Uоп меняет на его выходе соотношение длительностей прямоугольных импульсов и пауз. При 0<j <180 эл. град выходное напряжение детектора меняется в диапазоне 0Uфд1. При резонансной настройке ДР угол j равен 90 эл. град. В этом случае на выходе блока 23 (выход элемента 2И-НЕ) появляются прямоугольные импульсы с одинаковой длительностью импульсов и пауз, что вызывает появление напряжения Uфд2 равное 0,5. Положительные значения напряжения Uфд2 могут быть довольно просто преобразованы в разнополярные с необходимым диапазоном изменения. Преобразованное напряжение будет равно нулю при резонансной настройке ДР. Такое преобразование может выполнить схема из сумматора усилителя и отрицательной константы К=-0.5.

Структурная схема ШИМ детектора состоит из двух последовательных цепей: сумматор + (25), знаковая функция В (26), внешний фильтр АN (27) с постоянной времени Т2 и умножителя Х (29), внутреннего фильтра AN (28) с постоянной времени Т1.Входы умножителя Х подключены к выходам блока В (26) и СО (4), а выход внутреннего фильтра к сумматору (блок 25). ШИМ детектор выполняет широтно-импульсную обработку напряжения смещения нейтрали. В режиме резонансной настройки дугогасящего реактора на выходе блока В присутствуют прямоугольные разнополярные импульсы одинаковой амплитуды и длительности. Эти импульсы сдвинуты на 90 эл. град. По отношению к опорному напряжению, поэтому выходной сигнал цепи обратной связи (блоки 28 и 29) и детектора будет нулевым. При расстройке реактора на выходе внутреннего фильтра в зависимости от ее характера (Некомпенсация или перекомпенсация) будет появляться положительное или отрицательное постоянное напряжение. В сумматоре 25 оно алгебраически складывается с напряжением смещения нейтрали. И результате на выходе блока В при одинаковой амплитуде сигнала изменяется соотношение разнополярных импульсов. В итоге на выходе внешнего фильтра 27 будет положительное или отрицательное напряжение, соответствующее характеру расстройки реактора.

Переходный процесс на ЭВМ рассчитывался при помощи жесткого устойчивого метода интегрирования – неявного метода Эйлера. Интегрирование выполнялось с постоянным шагом 10-4С.

Сравнительный анализ результатов расчета фазовых характеристик детекторов показал, что детектор с перемножением входных сигналов имеет нелинейную зависимость Uфд(j ) , а цифровой и ШИМ детекторы – линейную. Расчеты характеристик детекторов с учетом фазовой характеристики сети были выполнены для минимального и максимального значения коэффициента успокоения сети d соответственно 0,03 и 0,1. Анализ этих фазовых характеристик показал, что детекторы имеют разную зависимость наклона характеристики от d: наклон характеристики ШИМ детектора практически не зависит от d, а цифровой имеет существенно меньшую зависимость от d, чем у детектора с перемножением входных сигналов. На характеристику ШИМ детектора значение d не оказывает влияния при одинаковых постоянных времени его фильтров, равных 0,1 с. Следует также отметить, что приведенный анализ является предварительной (качественной) оценкой влияния d на работу автоматической системы регулирования дугогасящего реактора. Полная оценка может быть получена в результате моделирования с введением в структурную схему рис.1 исполнительного устройства регулятора и объекта управления.

В процессе эксплуатации регулятора возможны отказы различных элементов детектора, неисправности трансформатора напряжения, нарушение целости входных цепей и т.п. Для анализа работы детекторов в структурных схемах каждого детектора входы поочередно отключались от источников напряжения Uоп и 3Uо, а неисправности и отказы элементов схемы моделировалась нулевыми или единичными сигналами на входах соответствующих блоков.

 

2 Требования к схеме самоконтроля

фазового регулятора

Исследования на ЭВМ выявили следующее. Детектор c перемножением сигналов и ШИМ детектор воспринимают отсутствие одного из входных напряжений, как резонансную настройку ДР. Отказы элементов цифрового детектора вызывали исчезновение на выходе измерительной части (блок 23) прямоугольных импульсов. Моделирование неисправности умножителя ШИМ детектора и других его элементов показало, что на его выходе появляется ложный сигнал о расстройке ДР. Таким образом, для своевременного обнаружения неисправности и блокирования неправильно работающего регулятора его нужно оснащать непрерывно работающей системой самоконтроля.

Многолетний опыт внедрения и обслуживания устройств компенсации и результаты анализа на ЭВМ различных типов фазовых детекторов позволяет сформулировать требования к схеме самоконтроля. Схема должна: осуществлять оценку работы измерительного органа, выявлять наличие на выходе регулятора сигнала о расстройстве ДР по истечении заданной выдержки времени, проверять прохождение сигнала с выхода пороговых элементов, формирующих зону не чувствительности регулятора на вход исполнительного органа, блокировать регулятор при неправильном функционировании и осуществлять индикацию вида неисправности, передавать аварийный сигнал дежурному по подстанции или диспетчеру ПЭС, выполнять автоматический возврат схемы самоконтроля в исходное состояние после устранения причины, вызвавшей ее срабатывание.

 

3 Генератор тестовых сигналов

 

Диагностика регулятора может осуществляться непрерывно блоком самоконтроля и блокировки или по мере необходимости ремонтным персоналом при помощи генератора тестовых сигналов.

Генератор состоит из питающего трансформатора, кнопок SB1..SB4 и резисторно-конденсаторного моста R1, C1 R2.,C2. Трансформатор имеет две вторичных обмотки для питания цепей формирования опорного напряжения Uоп и напряжения смещения нейтрали 3Uo. При помощи кнопок формируются сигналы: “Резонанс“, “Перекомпенсация“, “Недокомпенсация“, “Нет 3Uo“, “Режим ОЗНЗ“.

Сигнал “Резонанс“ генерируется при исходном положении кнопок. В этом случае на вход регулятора подаются напряжения, совпадающие по фазе.

При нажатии на кнопку SB2 или SB3 при помощи резистивно-конденсаторного моста формируются сигналы “Перекомпенсация” или “Недокомпенсация”. Эти сигналы имеют сдвиг по фазе между напряжениями Uоп и 3Uо равный ± j . Последний превышает максимально возможную зону нечувствительности регулятора по условию устойчивости. Удерживание нажатой более 2 минут кнопки SB2 или SB3 моделирует режим, когда регулятор не может настроить ДР в резонанс из-за неисправности регулятора или дугогасящий реактор не может обеспечить необходимый ток, при этом реактор находится в положении минимального или максимального тока.

Нажатие на кнопку SB4 создает аварийную ситуацию, когда на выходе регулятора исчезает напряжение смещения нейтрали, т.е. нет 3Uo. Такие случаи возможны при неисправности трансформатора напряжения или при обрыве в проводах, соединяющих регулятор с этим трансформатором

Последняя проверка выполняется при помощи кнопки SB1. Кнопка подает на вход регулятора напряжение смещения нейтрали равное 30 вольт. При таком напряжении на подстанции срабатывает сигнализация о замыкании на землю, а в регуляторе пороговый элемент блокирует работу регулятора. Блокировка регулятора снимается автоматически после устранения ОЗНЗ.

Формирователь тестовых сигналов может встраиваться в регулятор или выполнятся в виде отдельного устройства для контроля работоспособности или настройки нескольких регуляторов.

Применение генератора тестовых сигналов позволит обеспечить своевременное обнаружение и устранение неисправности регулятора. В результате будут исключены длительные расстройки компенсации связанные с его неправильным функционированием.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. –М.: Энергия, 1971.- 152с.

2. Назаров В.В. Режимы нейтрали и автоматизация сетей напряжением 6-35 кВ: Учебное пособие. – Киев: УМК ВО, 1988.-92с.

3. Ягудаев В.М., Шишкин Н.Ф., Назаров В.В. Защита от электропоражения в горной промышленности. –М.: Недра, 1982.-152с.

4. ОбабковВ.К., НикифоровА.П. Исследование вопросов точности систем компенсации емкостных токов в симметричных сетях с плунжерным дугогасящим реактором. – Промэнергетика, 1996, №5, с 22-30