Назад

всережимного двухканального автокомпенсатора

емкостных и активных составляющих в месте

1. Введение.

        Известно [1, 2], что наиболее часто встречающимся видом повреждений в распределительных сетях высокого напряжения являются однофазные замыкания на землю (ОЗНЗ). Эти замыкания служат исходной причиной подавляющего большинства аварий, приводящих к обесточиванию потребителей (например, многофазных замыканий) и, кроме того, способствует выходу из строя высоковольтного электрооборудования. Для горных предприятий существенными являются также опасность электротравматизма, пожаров и взрывов на шахтах, вызванных ОЗНЗ. Сказанное в значительной мере обесценивает главное преимущество электрической сети с незаземленной нейтралью – возможность длительной их эксплуатации при наличии однофазного замыкания.
        В этой связи применяют разнообразные средства защиты электрических сетей высокого напряжения. Наиболее часто прибегают к защитному отключению сетей с однофазными замыканиями. Однако, всемерное внедрение в шахтных сетях идеи защитного отключения при однофазных замыканиях на землю входит в противоречие с проблемой всемерного повышения производительности рудничных электроустановок. Особенно это касается высокопроизводительных забоев с современными угледобывающими комплексами и машинами. Поэтому существующую практику защиты шахтных сетей, принципиально связанную с отключением сети при однофазных утечках, нельзя признать удовлетворительной, тем более, что в этом нет принципиальной необходимости. Известен целый ряд защит, не требующих отключения сети при однофазных утечках. К подобного рода защитам относятся: способы автокомпенсации токов утечки [1,5-12], автоматического заземления поврежденной фазы (АЗФ) [1], противовключение и т.д.
        Среди перечисленных способов борьбы с однофазными замыканиями наиболее перспективным является, по-видимому, автоматическая компенсация токов в ОЗНЗ на промышленной частоте. К преимуществам этого способа относятся меньшие аппаратурные затраты при высоком быстродействии аппаратуры, исключение возможности протекания токов нагрузки по цепям заземления при обрыве одной из фаз, а также сохранение преимуществ компенсированных сетей в отношении борьбы с феррорезонансными явлениями [3], перенапряжениями и т.д. [1, 2].
      Для сетей общепромышленного назначения немаловажным является и то обстоятельство, что указанный способ защиты не только не противоречит предусмотренной в ПУЭ [3] установке компенсирующих реакторов (КР), а является естественным развитием этого широко распространенного защитного мероприятия.
        В связи с актуальностью внедрения эффективных средств защиты в высоковольтных шахтных сетях на основе метода автокомпенсации, Институтом прикладной математики и механики АН УССР была разработана подобная система защиты и изготовлен комплект аппаратуры с использованием упомянутых выше соображений.
   

2. Общая структура системы защиты.

   Система защиты от замыканий на землю предназначена для улучшения электроснабжения шахтных потребителей, для организации защитных мероприятий в шахтных сетях 6 кВ при однофазных замыканиях на землю, а также для снижения потерь при поиске повреждений изоляции кабеля. Область применения системы – трехфазные электрические сети 6 кВ с изолированной нейтралью угольных предприятий. В полном объеме или частично разработка может использоваться как средство повышения надежности электроснабжения и повышения качества электроэнергии в воздушных, кабельных и воздушно-кабельных сетях 6 кВ промышленных предприятий. В этой связи в основу построения системы защиты положен принцип универсальности, смысл которого раскрыт в [5].

   Применительно к шахтным условиям система должна обеспечивать:

   - во-первых, минимум простоев технологического оборудования по фактору “отсутствие электроэнергии”, что, в конечном итоге, создает лучше условия для более высокой производительности угольных шахт;

   - во-вторых, защиту высоковольтных двигателей от аварий, развивающихся (за счет резонансных перенапряжений) в статорных обмотках под воздействием однофазных замыканий на землю во внешней сети;

   - в-третьих, защиту от поражения электротоком вблизи мест повреждения изоляции в сети 6 кВ при помощи локализации и гашения заземляющих дуг в шахтных кабелях минимизацией напряжения на дуговом промежутке вплоть до обрыва тока через место пробоя, а также при помощи минимизации токов в месте однофазного глухого замыкания на землю до предельного минимума и удержания этого минимума в течение до 6 часов без отключения сети.

   Основной функцией системы является быстрая минимизация напряжения на поврежденной фазе в случае возникновения однофазного замыкания на землю (ОЗНЗ). Система имеет развивающийся характер и рассчитана на введение в дальнейшем таких функций, как селективная сигнализация о поврежденном присоединении и поиск места замыкания.

   Главным элементом системы защиты является общесетевой автоматический минимизатор напряжений и токов в месте ОЗНЗ, представляющий собой автокомпенсатор емкостных и активных составляющих и входящий в состав комплекта аппаратуры УАРК.

   Укрупненная структурная схема рассматриваемой системы защиты и способы подключения основных элементов к трехфазной шахтной сети показаны на рис. 1. Управляемым объектом является контур нулевой последовательности сети (КНПС) с параметрическими возмущениями: суммарной емкостью С, активной проводимостью g изоляции сети; и с параметрическими управлениями: индуктивностью L высоковольтного компенсирующего реактора (КР) и активным сопротивлением R нейтрали. Система управления содержит также датчик состояния выходных координат объекта и двухканальный регулятор УАРК с управлениями y₁(t), y₂(t), которые воздействуют на входы исполнительных органов ИО1, ИО2 системы. Указанные исполнительные органы ИО1 и ИО2 играют роль преобразователей управлений y₁(t) и y₂(t) в соответствующие рабочие воздействия L(t) и R(t) на объект для достижения поставленной цели.

   В испытываемой системе ИО1 – это компенсатор К1 емкостного тока ОЗНЗ, состоящий из компенсирующего (дугогасящего) реактора и исполнительного устройства для управления КР. В случае КР плунжерного типа исполнительное устройство состоит из астатического механизма (привода) КР и тиристорного контактора.

   ИО2 (рис. 1) – это компенсатор K₂ активного тока ОЗНЗ, состоящий [6] из силового модуля в виде однофазного зависимого инвертора, включенного последовательно с КР и исполнительного устройства в виде управляемого выпрямителя, а также устройства управления и защит компенсатора K₂. Инвертор играет роль силового элемента при организации в контуре нелинейного отрицательного сопротивления, величина которого регулируется напряжением на выходе управляемого выпрямителя исполнительного устройства ИУ2. Энергия, отдаваемая инвертором, расходуется на возмещение потерь в активном сопротивлении R нейтрали и в активных проводимостях изоляции сети, вследствие чего достигается компенсация активной составляющей тока ОЗНЗ.

   Если предполагается программное изменение режима нейтрали, например, для организации поиска мест повреждений, то добавляется блок КПУ – координации поиска и управления режимом нейтрали, а также аппаратура поиска повреждений (АПП). Система в полном объеме содержит также устройства селективной сигнализации и защиты, которые ставятся в присоединениях (РП, ЦПП, ГПП), в отличие от автокомпенсатора токов и напряжений, который обычно устанавливается на ГПП, вблизи питающего трансформатора.

3. Функциональная схема комплекта аппаратуры УАРК.

   Функциональная схема УАРК существенно изменяется в зависимости от режима работы сети по сигналам с блока управления (БУ). Поэтому функциональные схемы системы целесообразно рассматривать отдельно для режима А нормальной эксплуатации сети и для режимов В и С соответственно, глухого и перемежающегося дугового ОЗНЗ, несмотря на то, что технически функции многих блоков рассматриваемых функциональных схем, соответствующих тому или иному режиму работы сети, совмещены в одних и тех же узлах аппаратуры УАРК. Функциональная схема одноканальной системы резонансной настройки объекта в режиме А приведена на рис. 2. Как известно [1, 2], целью системы в режиме А является резонансная настройка КНПС, что обеспечивает готовность контура компенсации емкостной составляющей минимизировать напряжения и токи ОЗНЗ в режимах В и С. Резонансная настройка обеспечивается самонастраивающейся системой (СНС) [7-10] с периодической поисковой модуляцией параметров. При этом управляемый объект – контур нулевой последовательности сети, подвергается воздействию координатного, входного сигнала – тока q (t) несимметрии сети, параметрических возмущений по суммарной емкости С и проводимости g, параметрического управления L, а также параметрических поисковых колебаний d R(t) активного сопротивления R в нейтрали сети. Модуляция сопротивления R производится периодическим поисковым сигналом прямоугольной формы с частотой W , поступающим с выхода генератора поисковых и опорных сигналов (ГОПС). При этом периодическому изменению подвергается добротность объекта, что вызывает модуляцию (поисковой частотой W ) фазы j (t) и частоты w (t) тока I(t), протекающего через нейтраль. Последний является выходной координатой объекта и входной координатой регулятора в нормальном режиме А эксплуатации сети. Ток I(t) подается на вход частотного детектора (ЧД) сигналов поиска, выделяющего из частотно-модулированного тока I(t) составляющую с частотой W , которая содержит информацию о положении резонанса в КНПС. Эта составляющая отфильтровывается и усиливается усилителем поисковых сигналов (УПС) и поступает на вход сдвоенного синхронного детектора с коррекцией (СДК), который формирует управляющий сигнал V(t). Знак и величина сигнала V(t) определяется знаком и величиной расстройки КНПС. Поэтому этот сигнал используется (см. рис. 1) для построения управления y₁(t), формируемого управляющим устройством УУ1. Сигнал управления y₁(t) поступает на вход астатического исполнительного органа ИО1, изменяющего должным образом индуктивность L реактора.

   Описанная структура СНС, как показывают проведенные исследования, обладают наибольшей универсальностью по сравнению с другими известными типами систем автоматической настройки компенсации в режиме А.

   Функции модулятора сопротивления R выполняет силовой модуль блока ИО2 со схемой, отвечающей режиму А и преобразованной соответствующим образом по сигналу с блока управления БУ (на рис. 2 блок БУ не показан).

   Сигнал, подаваемый на вход частотного детектора, также снимается с упомянутого силового модуля. Частотный детектор включает в себя релейный усилитель, частотнозависимую цепь и амплитудный детектор. Блок УПС выполнен в виде последовательно включенного активного полосового фильтра второго порядка, настроенного на поисковую частоту W и пассивного режекторного фильтра, настроенного на частоту 3W . Необходимость режекторного фильтра объясняется нежелательным взаимодействием между третьими гармониками поискового сигнала и опорного сигнала синхронного детектора, которое приводит к появлению погрешности самонастройки.

   Блок СДК содержит два параллельных канала, каждый из которых имеет последовательно включенные релейное звено с сумматором на входе, множительное звено и фильтр низких частот. Выходы каналов объединяются в устройстве выделения максимального уровня сигналов. На вторые входы упомянутых сумматоров подаются гармонической формы корректирующие сигналы, вырабатываемые блоком ГОПС. В этом же блоке формируется релейный опорный сигнал для вторых входов множительных звеньев блока СДК. Соответствующей регулировкой амплитуд и фаз корректирующих сигналов и фазы опорного сигнала СД можно добиться [10] заданной точности (с погрешностью, не превышающей 5 %) и удовлетворительной динамики процесса резонансной настройки.

   Управляющее устройство УУ1 для КР плунжерного типа представляет собой, по сути дела, релейное звено с зоной нечувствительности и с сумматором на входе. На сумматор, помимо сигнала V(t), подается пилообразный линеаризующий сигнал с частотой, равной 3 Гц. Этот сигнал служит для повышения статической точности и улучшения динамики резонансной настройки.

   Исполнительный орган ИО1 состоит из астатического исполнительного устройства ИУ1 КР и собственно КР. Астатическим исполнительным устройством ИУ1 применительно к плунжерному КР, как уже упоминалось, является асинхронный электродвигатель (привод) КР и тиристорный контактор ТК для управления двигателем.

   Генератор опорного и поискового сигналов содержит делитель частоты сети и блок формирования опорного и корректирующих сигналов [10], основным элементом которого является активный фильтр второго порядка, с нелинейными обратными связями.

   Функциональная схема двухканальной системы автокомпенсации емкостной и активной составляющих токов ОЗНЗ в режимах В и С показана на рис. 3. Входной координатой для объекта управления в указанных режимах является напряжение E₃(t)=E_A(t) источника поврежденной фазы. Параметрическими возмущениями, как и ранее, являются параметры C и g. Другие возмущения включают в себя, например, ток q (t) несимметрии сети и сопротивление R₀ места замыкания.

   Цель самонастройки в режимах B и C достигается посредством параметрических управлений y₁(t), y₂(t) параметрами L и R соответственно. Причем, управление активным сопротивлением R осуществляется [6] при помощи однофазного зависимого инвертора ИЗ. При построении замкнутых параметрических контуров самонастройки L и R (или, другими словами, контуров автоматической компенсации емкостной и активной составляющих соответственно), и в режиме В, и в режиме С, использован фазовый способ [11, 12] выделения полезной информации. Это позволило избежать распознавания каждого из упомянутых режимов.

   Входным сигналом для каналов L и R является напряжение U₃(t)=U_A(t) поврежденной фазы. Оно поступает на релейные звенья с линеаризацией РЛ1 и РЛ2, играющие роль усилителей-ограничителей при больших напряжениях U₃. Линеаризация осуществляется сигналом пилообразной формы с частотой порядка 1 кГц, вырабатываемым специальным генератором. Информация о величине и знаке расстройки в каналах емкостной и активной составляющих извлекается при помощи синхронных детекторов СД1 и СД2. В качестве опорных сигналов демодуляторов СД1 и СД2 используются релейные сигналы, совпадающие по фазе соответственно с линейным напряжением U_BC между “здоровыми” фазами и с напряжением e(t) смещения нейтрали. Линейное напряжение U_BC (t) восстанавливается алгебраическим суммированием (с соответствующими знаками) напряжений U_B (t) и U_С (t) на “здоровых” фазах.

   Знаки и величины сигналов V₁ и V₂ на выходах блоков СД1 и СД2 определяются знаками и величинами расстроек соответственно по емкостной и активной составляющим, и используются в дальнейшем для формирования управлений y₁(t) и y₂(t) в параметрических контурах L и R.

   Указанные сигналы, скорректированные в устройствах КУ1 и КУ2 и придающие системе в режиме С асимптотическую устойчивость, поступают на входы управляющих устройств УУ1 и УУ2. Управляющее устройство УУ1 канала L (компенсации емкостной составляющей), в основном, совпадает с охарактеризованным ранее управляющим устройством УУ1 для режима А и отличается от него лишь наличием на входе инерционного звена с перестраиваемой постоянной времени. Эта перестройка происходит таким образом, что постоянная времени инерционного звена имеет величину порядка нескольких секунд при нулевом сигнале y₁, т.е. при отключенном двигателе КР, и величину порядка нескольких миллисекунд при ненулевом сигнале y₁, т.е. во время перестройки КР. Перестройка постоянной времени производится при помощи коммутации конденсатора в цепи обратной связи операционного усилителя. Данная мера улучшает как динамику, так и помехозащищенность контура. Управляющее устройство УУ2 канала R (компенсации активной составляющей) представляет собой интегратор. Выход блока УУ1 подается на вход исполнительного органа ИО1, полностью совпадающего с таковым в режиме А. Выход блока УУ2 подается на вход исполнительного органа ИО2 через сумматор, при помощи которого вводятся корректирующие сигналы каналов дополнительной обратной связи (ДОС) по постоянной составляющей и дополнительной прямой (параллельной) связи (ДПС) в контуре компенсации емкостной составляющей. Канал ДОС обеспечивает устойчивость КНПС по постоянной составляющей при малых сопротивлениях R₀ ОЗНЗ и способствует скорейшему затуханию апериодического переходного процесса в токе через место замыкания при возникновении режима В.

   При этом блоком ДОС осуществляется измерение постоянной составляющей в токе I(t) через КР (при помощи сравнения длительностей положительных и отрицательных полупериодов указанного тока), и модуляция сигнала постоянной составляющей сигналом signI(t). Указанная операция позволяет посредством инвертора ИЗ вводить в КНПС ЭДС, постоянная составляющая которой направлена встречно постоянной составляющей тока I(t) и способствует ее затуханию. Действительно, пусть сигнал x ₀(t) на выходе блока ДОС (см. рис. 3) равен:

   x ₀(t)=K₁I⁽⁰⁾(t)signI(t),

   где I⁽⁰⁾(t) – “постоянная” составляющая тока I(t). При этом сигнал y₂(t) (см. рис. 3):

   y₂(t)=U₂+x _П(t)+ K₁I⁽⁰⁾(t) signI(t).                                                                                                                         (1)

   Тогда ЭДС E_K(t), вырабатываемая инвертором ИЗ и равная

   E_K(t)=# y₂(t)K₀(t)signI(t)                                                                                                                                       (2)

   может быть записана следующим образом:

   E_K(t)=# K₀(t)(U₂+x _П(t))signI(t)# K₁K₀(t)I⁽⁰⁾(t).                                                                                                  (3)

   Второй член выражения (3) как раз и отражает наличие в ЭДС инвертора указанной “постоянной” составляющей, определяемой величиной и знаком I⁽⁰⁾(t).

   Кроме указанных выше элементов, блок ДОС содержит также линейное корректирующее звено, обеспечивающее асимптотическую устойчивость и улучшающее динамику контура компенсации постоянной составляющей, содержащего канал ДОС.

   Канал ДПС обеспечивает возможность “мягкой” подстройки индуктивности КР внутри зоны нечувствительности УУ1, что является необходимым условием асимптотической устойчивости контура самонастройки L. Исполнительный орган ИО2 канала R содержит, помимо инвертора ИЗ, управляемый выпрямитель (для питания ИЗ), выполняющий роль исполнительного устройства ИУ2.

   Указанная “мягкая” подстройка осуществляется введением в ЭДС E_K(t) инвертора регулируемой составляющей E(t), которая может совпадать по фазе с напряжением e(t) смещения нейтрали или находиться с ним в противофазе. Формирование составляющей <I>E(t) производится при помощи аддитивного введения в сигнал y₂(t) (см. рис. 3) компонента x _П(t), который образуется в результате перемножения сигнала Y₁(t) на выходе корректирующего устройства КУ1, а также сигналов signI(t) и signe(t):

   x _П(t)=K₂Y₁(t)signI(t)signe(t).                                                                                                                                  (3)

   Выражение для ЭДС E_K(t), вырабатываемой инвертором ИЗ может быть легко получено на основании соотношения (2):

   E_K(t)= # K₀(t)U₂(t)signI(t)# K₀(t)K₂Y₁(t)signe(t)# K₁K₀(t)I⁽⁰⁾(t).                                                                          (5)

   Дополнительная индуктивность ΔL, вводимая в КНПС описываемым способом, определяется вторым членом выражения (5) и равна:

                                   (6)

   где I_m – амплитуда тока I(t).

   Как видно из выражения (6), величина и знак этой добавки к индуктивности зависят от сигнала Y₁(t), благодаря чему и организуется канал дополнительной прямой связи.

   Выбор поврежденной фазы и соответствующие коммутации во входных цепях формирования опорных сигналов обеспечиваются блоком выбора поврежденной фазы БВПФ (на рис. 3 не показан).

   Блок выбора поврежденной фазы содержит три двухполупериодных выпрямителей, на которые поданы фазные напряжения сети, снабженных RC–фильтрами. Выходы фильтров поданы на входы трех компараторов, производящих сравнение “средних” значений выпрямленных напряжений фаз А и В, В и С, С и А. Комбинационная логическая схема на выходах компараторов определяет фазу с минимальным напряжением, которая и считается поврежденной. Как показали исследования, проведенные на электронной модели сети, данный способ распознавания поврежденной фазы эффективен как в режиме В глухого ОЗНЗ, так и в режиме С перемежающегося дугового замыкания. В режиме нормальной работы сети емкости RC–фильтров закорочены и заряд их начинается только при возникновении ОЗНЗ, чем достигается высокое быстродействие схемы.

   В случае неправильного распознавания поврежденной фазы, что возможно при замыкании через большое сопротивление в момент значительной расстройки по емкости сети, предусмотрен автоматический поиск поврежденной фазы. Сигналом об ошибочном выборе поврежденной фазы служит достижение индуктивностью КР своего минимального или максимального значений.

   Блок управления БУ предназначен для распознавания режима работы сети (нормальный режим, ОЗНЗ или неполнофазный режим) и формирования сигналов, определяющих структуру системы и режимы работы ее узлов. Режимы В и С распознаются по превышению амплитудой напряжения e(t) смещения нейтрали уровня 15 % от амплитуды номинального фазного напряжения сети, что соответствует требованиям ПУЭ [3]. Исчезновение ОЗНЗ фиксируется через 1 сек. после понижения напряжения смещения нейтрали до указанного уровня. Через 15 сек. после возникновения ОЗНЗ проводится пробное снятие компенсации активной составляющей для восстановления нормального режима работы сети, если произошла ликвидация ОЗНЗ и восстановилась диэлектрическая прочность изоляции. Если в течение 1 сек. после снятия компенсации активной составляющей не происходит ни одного пробоя изоляции и напряжение смещения нейтрали снижается до уровня, соответствующего нормальному режиму, в дальнейшем компенсация активной составляющей не возобновляется и режим распознается как нормальный. В противном случае восстанавливается прежнее состояние системы, соответствующее режиму ОЗНЗ, и последующее возвращение к режиму А производится вручную после устранения повреждения.

   В случае повышения напряжением смещения нейтрали уровня 125 % от номинального фазного напряжения режим работы сети распознается как неполнофазный. В данном режиме задачей системы является предотвращение возможных резонансных перенапряжений на нейтрали.

   С этой целью добротность КНПС значительно снижается при помощи включения последовательно с КР резистора R, служившего в режиме А для введения поисковых колебаний. Одновременно производится максимально возможная расстройка резонансного состояния КНПС перестройкой индуктивности КР.

   Возвращение системы в исходное состояние производится вручную, после устранения причины неполнофазного режима.

   Остановимся на особенностях технической реализации блоков и узлов системы.

   Блоки РЛ1 и РЛ2 в режиме малых сигналов U₃ играют роль релейных усилителей, так как содержат релейные зверья с сумматорами на входах, на которые помимо сигнала U₃(t), подается пилообразный линеаризующий сигнал с частотой 1 кГц. Синхронные детекторы СД1 и СД2 содержат последовательно включенные множительные звенья и фильтры низких частот.

   Блок ДОС включает в себя последовательно соединенные фильтр низких частот с устройством дискретного съема информации, корректирующее и множительное звенья. Блок ДПС реализован в виде множительного звена.

   В качестве управляемого выпрямителя ИУ2 использован один из каналов серийно выпускаемого тиристорного агрегата типа АТР 100/360-2с, питание которого производится от трехфазного источника 380 В с изолированной нейтралью (см. рис. 3) .

   Упрощенная принципиальная схема силового модуля ИО2 показана на рис. 3. Однофазный зависимый инвертор ИЗ выполнен на тиристорах Т1-Т6. Помимо основной функции силового модуля блока ИО2 (рис. 1), он служит также для введения поисковой модуляции по активному сопротивлению R и для снижения добротности КНПС в режиме А, а также при возникновении перенапряжений на нейтрали, например вследствие неполнофазного режима. Функции, выполняемые силовым модулем ИО2, предопределены управляющими сигналами, подаваемыми на тиристоры Т1-Т3 от блока управления и защит.

   Схема инвертора ИЗ в режимах В и С работает следующим образом. При положительном направлении тока I через КР (т.е. направлении, совпадающем со стрелкой на рис. 3) блок управления и защит вырабатывает сигналы на отпирание тиристоров Т1 и Т3. В данном случае напряжение управляемого выпрямителя окажется приложенным встречно по отношению к току I(t), в результате чего инвертор будет отдавать энергию в КНПС. В следующий полупериод после изменения направления тока I(t), тиристоры Т1 и Т3 закроются, после чего блок управления сформирует сигнал на отпирание тиристоров Т2 и Т3. При этом напряжение управляемого выпрямителя остается приложенным встречно по отношению к току I(t) и инвертор продолжает отдавать энергию в КНПС.

   Обрыв тока через инвертор при малых углах отпирания тиристоров управляемого выпрямителя предотвращен тем, что в режимах В и С на тиристор Т5 непрерывно подается отпирающий сигнал. При запирании тиристоров выпрямителя ИУ2 тока I(t) реактора КР замыкается внутри инвертора через Т5. Признаком изменения направления тока I(t) и запирания тиристоров инвертора для блока управления и защит служит появление напряжения обратной полярности на тиристорах Т1 и Т2. Скорость возрастания напряжения на инверторе в промежутке времени, когда тиристоры Т1-Т3 заперты, ограничивается конденсатором С₁, а скорость нарастания тока через инвертор при перезарядке конденсатора С₁ ограничивается резистором R₂ и дросселем ДР1.

   Защитой от перенапряжений на инверторе ИЗ при неисправностях в блоке управления и защит служит тиристорный разрядник на напряжение, равное 850 В, выполненный на тиристорах Т7, Т8 и диодах. При срабатывании указанного разрядника инвертор ИЗ дополнительно закорачивается также контактором К1.

   В режиме А отпирающие сигналы подаются одновременно на тиристоры Т1-Т3, а введение поисковых сигналов по сопротивлению R достигается периодической подачей (с поисковой частотой W ) отпирающего сигнала на тиристоры Т5 и Т6. Вследствие этого последовательно с КР периодически включается сопротивление R1, равное 12 Ом.

   При возникновении перенапряжений на нейтрали тиристор Т5 запирается при отпертом тиристоре Т6. Вследствие этого добротность КНПС значительно снижается за счет резистора R1, что совместно с расстройкой индуктивности КР по сигналу с БУ, предотвращает нежелательные последствия неполнофазных режимов или неисправностей в контуре автоматической компенсации активной составляющей.

4. Цель и методика испытаний аппаратуры УАРК.

   Объектом проведенных испытаний являлась система защиты от замыканий на землю в сети 6 кВ с комплектом аппаратуры УАРК, включающим в себя (собственно) всережимный двухканальный авторегулятор типа УАРК, датчики напряжений и высоковольтные исполнительные органы.

   Основной целью испытаний комплекта аппаратуры УАРК являлась проверка работоспособности и эффективности заложенных при разработке системы принципов и технических решений. Испытания проводились в два этапа:

   а) испытания УАРК с электронной моделью сети, а также блоков ИО1 и ИЗ (см. рис. 2);

   б) испытания УАРК с высоковольтной физической моделью сети и реальными исполнительными органами ИО1 и ИО2.

   Результаты первого этапа испытаний явились окончательная доработка, проверка и настройка узлов и блоков аппаратуры, проверка статических и динамических характеристик системы в широком диапазоне изменения параметров объекта управления.

   Целью испытаний УАРК на втором этапе, результаты которых и освещаются в настоящей статье, являлась проверка работоспособности комплекта аппаратуры УАРК под рабочим напряжением в трех режимах эксплуатации сети 6 кВ, а именно: в нормальном режиме (режим А), в режимах глухого (металлического) и дугового замыканий на землю (соответственно режимы В и С), а также установление некоторых основных технических характеристик созданной аппаратуры. Испытания проводились на модели сети 6 кВ – стендовой установке кафедры электростанций Донецкого политехнического института. Схема установки для испытаний комплекта аппаратуры УАРК показана на рис. 5. На испытательном стенде моделируются процессы в сети 6 кВ с суммарной емкостью С=С_А+С_В=С_С=25,6 мкФ. Тангенс угла потерь конденсаторов, моделирующих емкость С составляет 0,026±30 % Ом^-1. Отметим, что проводимость утечки изоляции конденсаторов на постоянном токе значительно меньше и составляет 3× 10^-9 Ом^-1. Сопротивление проволочного резистора R_y, имитирующего суммарную активную утечку между фазами сети и землей, равно 3000 Ом. В модели использован плунжерный КР типа ПРК-6-50 с диапазоном регулирования индуктивности L от 0,302 Гн до 1,08 Гн (что соответствует изменению индуктивного тока I через КР в режиме В от 11 А до 30 А), и с временем полной перестройки реактора, равным 35 сек. Активное сопротивление R КР равно 0,19 Ом. Зазор КР регулируется асинхронным двигателем, управляемым тиристорным контактором ТК. Питание стенда осуществляется от повышающего трансформатора ТС-560/6, 380-6000 В, соединенного по схеме “треугольник-звезда”. Датчиком напряжения (рис. 5) является трехфазный трансформатор напряжения типа НТМИ 6-66. В модели предусмотрена возможность имитации ОЗНЗ при помощи подключенного к фазе А через масляный выключатель типа ВМГ-10 отрезка дефектного кабеля, специального резистора или заземляющего проводника. Схема подключений аппаратуры УАРК и части регистрирующей аппаратуры показана на рис. 6. Из рисунка видно, в частности, что “земляной” вывод КР связан с землей через компенсатор активного тока ОЗНЗ аппаратуры УАРК. Трехфазное напряжение 380 В с изолированной нейтралью, предназначенное для питания ИО2, подавалось от трансформатора шахтной подстанции типа ТКШВП-180 по кабельной линии длиной порядка 100 м.

   Программа испытаний аппаратуры УАРК на высоковольтной физической модели сети включала в себя следующие основные моменты.

   1. Монтаж и подключение аппаратуры УАРК и контрольно-измерительной аппаратуры на испытательном стенде в соответствии с рис. 5 и 6.

   2. Осциллографирование процессов отработки рассогласований по индуктивности L реактора КР (подаваемых вручную) в нормальном режиме А работы сети при поисковой частоте W =2p ¦ W , ¦ W =6,25 Гц.

   3. Осциллографирование процессов перехода из режима А нормальной эксплуатации сети в режим В, а также процессов отработки рассогласований по индуктивности L КР при наличии и при отсутствии заранее установленных начальных условий в канале компенсации активной составляющей, и при различных сопротивлениях R₀ места замыкания.

   3. Осциллографирование процессов перехода из режима А нормальной эксплуатации сети в режим С перемежающегося дугового замыкания, а также процессов отработки рассогласований по индуктивности L КР при воспроизведении ОЗНЗ на отрезке кабеля с искусственным повреждением изоляции между одной из фаз и оболочкой кабеля.

5. Основные результаты испытаний.

   1. Осциллографирование процессов в нормальном режиме работы сети.

   Осциллограммы отработки расстроек по индуктивности L реактора КР приведены на рис. 7-10. На данных осциллограммах кривая изображает e(t) напряжение смещения нейтрали, кривая 2 – сигнал V(t) на входе управляющего устройства УУ1, кривая 3 – напряжение e₂(t) на инверторе ИЗ, кривая 3 – сигнал y₁ на входе исполнительного органа ИО1 (см. рис. 2, 6). Скорость движения фотобумаги для осциллограмм на рис. 7, 8 равна 5 мм/сек., для осциллограмм на рис. 9, 10 – 25 мм/сек. На рис. 7 показан процесс отработки рассогласования по L при начальном значении индуктивности КР, равном 1 Гн, что соответствует скачкообразному изменению емкости С от 10,1 мкФ до 25,6 мкФ. На рис. 8 показан аналогичный процесс отработки рассогласования по L при начальном значении индуктивности КР, равном 0,302 Гн, что соответствует скачкообразному изменению емкости С от 33,6 мкФ до 25,6 мкФ. Рис. 9, 10 иллюстрируют процессы самонастройки в режиме А для наиболее часто встречающихся на практике малых рассогласований по L (на 5-10 %). Начальное значение индуктивности L на рис. 9 составляет 0,383 Гн, на рис. 10 – 0,328 Гн, что соответствует скачкообразному изменению суммарной емкости С сети с 26,3 мкФ до 25,6 мкФ на рис. 9 и с 23,67 до 25,6 мкФ на рис. 10.

   Из осциллограмм видно, что переходный процесс в контуре настройки L носит апериодический характер, а быстродействие системы определяется, в основном, быстродействием плунжерного КР. Время отработки малых рассогласований составляет, согласно рис. 9 и рис. 10, соответственно 1,8 сек. и 2,6 сек. Статическая погрешность системы при емкости С=25,6 мкФ и поисковой частоте W =2p 6,25 Гц составляет 1 %. Максимальная амплитуда фазовой модуляции (с частотой поиска W =2p 6,25 Гц) в токе I(t) через КР составляет 18° .

   5.2. Осциллографирование процессов в режиме глухого замыкания на землю.

   Осциллограммы процессов, возникающих при переходе из режима А в режим В при сопротивлении замыкания R₀=1 кОм (и нулевых начальных условиях в канале компенсации активной составляющей), показаны на рис. 11, 12. Данные осциллограммы иллюстрируют процессы в сети с испытываемой системой защиты, возникающие, например, в случае прикосновения человека к токоведущим частям, находящимся под высоким напряжением.

   На приведенных осциллограммах кривая 1 отображает напряжение U₃(t)= =U_А(t) на поврежденной фазе, кривая 2 – ток I₀(t) в месте замыкания, кривая 3 – напряжение e₂(t)на инверторе ИЗ, а кривая 3 – сигнал U₂(t) на выходе интегратора УУ2 в канале компенсации активной составляющей (см. рис. 3, 6). Скорость движения фотобумаги для данных осциллограмм равна 50 мм/сек.

   На рис. 11 отражены следующие процессы.

   До момента t₀ имел место режим А нормальной работы сети при резонансной настройке КНПС. В момент времени t₀ был воспроизведен режим В глухого ОЗНЗ через сопротивление R₀=1 кОм.

   Оба контура самонастройки отработали автоматическую компенсацию емкостной и активной составляющих тока ОЗНЗ. При этом ток I₀ уменьшился до своего установившегося значения в течение 130 мсек. Столько же времени длился и апериодический переходный процесс в канале компенсации активной составляющей. В момент t (примерно через 10 сек. после момента t₀) ОЗНЗ было устранено. При этом, однако, напряжение на поврежденной фазе не восстановилось до исходного благодаря действию контура компенсации активной составляющей. По истечении 15 сек. после замыкания, с момента t₁ по t₂ производится автоматический сброс компенсации активной составляющей по программе.

   Вследствие этого устанавливается симметрия напряжений в сети, характерная для режима А. Напряжение U_A на поврежденной фазе восстанавливается до фазного (см. рис. 11, кривая 1). После выдержки времени порядка 1 сек. с момента, когда амплитуда напряжения e(t) смещения нейтрали перестает превышать уровень 15 % от амплитуды фазного напряжения, т.е. в момент t₃, блок управления БУ распознает режим работы сети как нормальный, т.е. режим А и УАРК возвращаются в исходное состояние.

   Осциллограмма, приведенная на рис. 12 отличается от осциллограммы на рис. 11 тем, что в течение первых 15-ти секунд защиты после возникновения ОЗНЗ, замыкание не было устранено. Как и ранее, до момента времени t₀ имел место нормальный режим А работы сети. В момент t₀ было произведено ОЗНЗ через сопротивление R₀=1 кОм. По истечении 15 сек. с момента t₁ по t₂ производится программный сброс компенсации активной составляющей, за которым следует выдержка времени длительностью 0,9 сек. до момента времени t₃. В этот период на поврежденной фазе напряжение U₃=U_А равно 1150 В, а через место замыкания протекает ток I₀, равный 1,15 А. Поскольку в результате сброса компенсации активной составляющей и последующей выдержки времени нормальный режим А работы сети не имеет места, то блок БУ в момент t₃ дает команду на защитную минимизацию токов, включая в работу контур компенсации активной составляющей. По окончании переходного процесса (в данном случае 200 мсек) напряжение U₃=U_A на поврежденной фазе и ток I₀ через место замыкания оказываются сниженными до предельных значений и система остается в этом состоянии до устранения ОЗНЗ и сброса вручную компенсации активной составляющей, что и переводит систему защиты в исходное состояние.

   Измерения длительности переходного процесса, возникающего при переходе из режима А в режим В с R₀=1 кОм при наличии предварительной настройки контура компенсации активной составляющей показали, что время минимизации тока I₀(t) через место замыкания уменьшается (по сравнению с ранее рассмотренным случаем нулевых начальных условий в канале R) в 1,5-2 раза и составляет 80 мсек.

   Таким образом, предварительную настройку контура компенсации активной составляющей следует считать целесообразным мероприятием, существенно повышающим быстродействие системы.

   Экспериментально установлено, что максимальное сопротивление R₀, при котором распознается режим ОЗНЗ, выбирается поврежденная фаза и вступают в действие контура самонастройки, равно 7 кОм. Эта величина R₀ получена при резонансной настройке в режиме А при следующих параметрах стендовой модели сети: С=25,6 мкФ, g=0,39 10^-3 Ом^-1, R= 0,19 Ом.

   Осциллограмма процессов, возникающих при переходе из режима А в режим В при R₀=10 Ом с предварительной настройкой по емкостной и активной составляющим, показана на рис. 13. На приведенной осциллограмме кривая 1 отображает напряжение U₃(t)=U_A(t) на поврежденной фазе, кривая 2 – ток I₀(t) в месте замыкания, кривая 3 – напряжение e₂(t) на инверторе ИЗ, а кривая 3 – сигнал U₂(t) на выходе интегратора УУ2 в канале компенсации активной составляющей (см. рис. 3, 6). Скорость движения фотобумаги для данной осциллограммы равна 125 мм/сек. Из осциллограммы видно, что включение компенсатора активной составляющей тока ОЗНЗ в условиях предварительной настройки канала компенсации активной составляющей происходит спустя один полупериод промышленной частоты после момента замыкания. Установившаяся форма тока I₀(t) в месте замыкания наблюдается через 150 мсек., считая от момента замыкания, а переходный процесс в канале компенсации активной составляющей, имеющий апериодический характер, завершается через 1,3 сек. после замыкания. После возникновения глухого ОЗНЗ в течение 0,3-0,6 секунды происходит также подстройка плунжерного КР, связанная с докомпенсацией нелинейного изменения индуктивности при набросе напряжения на реактор.

   Длительность переходных процессов в контурах самонастройки уменьшается с увеличением сопротивления R₀, что объясняется возрастанием напряжения U₃(t)=U_A(t) на поврежденной фазе и обусловленным этим увеличением коэффициентов усиления в контурах самонастройки.

   Осциллограмма остаточного тока I₀(t), протекающего через место замыкания в установившемся режиме (т.е. по окончании переходных процессов в каналах компенсации емкостной и активной составляющих), при R₀=10 Ом, показана на рис. 13 (кривая 1). Масштаб по току данной осциллограммы – 0,23 А/мм, скорость движения фотобумаги – 2350 мм/сек. Результаты гармонического анализа тока I₀(t) приведены в таблице 1.

   Таблица 1

   Номер гармоники тока I0(t)	1	2	3	3	5	6	7	8	9	10
   Амплитуда гармоники, А	1,19	1,37	2,25	2	6,25	1,26	0,83	0,18	0,15	0,17

   Как видно из таблицы, в токе I₀(t) доминирует 5-ая гармоника, источником которой является сеть, питающая стенд и силовой трансформатор ТС-560/6 (см. рис. 5). Уровень же 1-й гармоники относительно невелик, ее действующее значение, равное 0,83 А, значительно меньше действующего значения остаточного тока ОЗНЗ, равного 5,2 А, не говоря уже о токе ОЗНЗ, равном 29 А в незащищенной сети.

   Осциллограммы процессов отработки значительных расстроек по емкости сети в режиме В глухого ОЗНЗ при R₀=10 Ом, показаны на рис. 15, 16.

   Данные осциллограммы снимались при нулевых начальных условиях в канале компенсации активной составляющей.

   На приведенных осциллограммах кривая 1 изображает ток I₀(t) в месте замыкания, кривая 2 – сигнал y₁(t) на входе исполнительного органа ИО1, соответствующий направлению вращения двигателя плунжерного КР, кривая 3 – сигнал U₂(t) на выходе интегратора УУ2 в канале компенсации активной составляющей (см. рис. 3, 6). Скорость движения фотобумаги для осциллограммы, показанных на рис. 15, 16 равна 5 мм/сек. На рис. 15 показаны процессы отработки рассогласования по индуктивности L реактора КР при начальном значении указанной индуктивности, равном 1,08 Гн, что соответствует скачкообразному изменению емкости С от 9,38 мкФ до 25,6 мкФ. На рис. 16 показаны аналогичные процессы отработки при начальном значении индуктивности КР, равном 0,302 Гн, что соответствует скачкообразному изменению емкости С от 33,6 мкФ до 25,6 мкФ. Из осциллограмм видно, что в режиме В при отработке больших рассогласований в сети с плунжерной катушкой быстродействие системы определяется, как и в режиме А, только быстродействием плунжерной катушки. Переходный процесс в контуре компенсации емкостной составляющей носит апериодический характер. Процессы настройки в контуре компенсации активной составляющей при больших расстройках по L практически не сказываются на общем быстродействии системы.

   5.3. Осциллографирование процессов в режиме дугового замыкания на землю.

   При испытаниях в режиме С система показала себя работоспособной при любых расстройках по индуктивности L реактора КР. При больших расстройках быстродействие системы определяется так же, как и ранее, в основном быстродействием КР плунжерного типа.

   Осциллограммы процессов, протекающих при переходе из режима А в режим С предварительной настройкой по емкостной составляющей показаны на рис. 17, 18. На указанных осциллограммах кривая 1 иллюстрирует напряжение U₃(t)=U_A(t) на поврежденной фазе, кривая 2 – ток I₀(t) в месте замыкания, кривая 3 – напряжение e₂(t) на инверторе ИЗ, а кривая 3 – сигнал U₂(t) на выходе интегратора УУ2 в канале компенсации активной составляющей (см. рис. 3, 6). Скорость движения фотобумаги для данных осциллограмм равна 250 мм/сек. Типичная осциллограмма, представленная на рис. 17, снималась при нулевых начальных условиях в контуре компенсации активной составляющей. Из рис. 17 видно, что включение компенсатора активной составляющей тока ОЗНЗ при отсутствии предварительной настройки по этому каналу происходит спустя два полупериода промышленной частоты после момент замыкания. При этом наблюдается лишь однократный пробой дугового промежутка в кабеле. Установившаяся форма напряжения U₃(t) на поврежденной фазе А наблюдается через 250 мсек., считая от момента замыкания. Переходный процесс в канале компенсации активной составляющей имеет апериодический характер с перерегулированием на 67 % и завершается через 300 мсек после замыкания. Максимальная амплитуда напряжения U₃(t)=U_A(t) на поврежденной фазе А в переходном процессе после замыкания составляет 31 % от амплитуды фазного напряжения источника питания модели сети 6 кВ.

   Осциллограмма, изображенная на рис. 18, снята при предварительно настроенном контуре компенсации активной составляющей. С предварительной настройкой включение компенсатора К2 активной составляющей происходит спустя один полупериод промышленной частоты после момента замыкания. Пробой дугового промежутка также однократный.

   Напряжение U₃(t)=U_A(t) на поврежденной фазе А, считая от момента замыкания, минимизируется через 0,07 сек. Быстродействие системы с предварительной настройкой по активной составляющей увеличивается, таким образом, в 3,6 раза. Перерегулирование в канале R компенсации активной составляющей снижается до 33 %, а длительность переходного процесса по каналу R не превышает 180 мсек. Максимальное значение амплитуды напряжения U₃(t)=U_A(t) на поврежденной фазе А в переходном процессе составляет теперь 35 % от амплитуды фазного напряжения питания сети. Как и в режиме В, после дугового пробоя в течение 0,3-0,6 сек. происходит подстройка индуктивности плунжерного КР, связанная с докомпенсацией нелинейного изменения индуктивности L при набросе напряжения на реактор.

   Таким образом, предварительная настройка компенсации активной составляющей в режиме С также существенно повышает быстродействие системы.

   Осциллограмма остаточного напряжения U₃(t) на поврежденной фазе А в установившемся режиме показана на рис. 19 (кривая 1). Масштаб по напряжению для данной осциллограммы (с учетом коэффициента трансформации измерительного трансформатора) – 19,2 В/мм, скорость движения фотобумаги – 2250 мм/сек. Результаты гармонического анализа напряжения U₃(t) приведены в таблице 2.

   Таблица 2

    

   Номер гармоники напряжения U3(t)	1	2	3	3	5	6	7	8	9	10
   Амплитуда гармоники, B	233,1	23	102	20	583	29,5	83,3	85,6	13	2,9

   Как видно из таблицы 2, относительное содержание гармоник в остаточном напряжении на поврежденной фазе в режиме С сходно с относительным содержанием гармоник в токе через место замыкания в режиме В (см. табл. 1). Доминирующей является 5-я гармоника. Уровень первой гармоники достаточно мал.

6. Выводы.

6.7. Время минимизации тока через место замыкания в режиме В с предварительной настройкой обоих контуров зависит от величины сопротивления R₀ замыкания. При R₀=10 Ом время минимизации составляет 0,15 сек., а при R₀=1 кОм – 0,08 сек.

6.8. Нормальное функционирование системы в режиме В при С=25,6 мкФ наблюдается при сопротивлениях R₀ замыкания, находящихся в диапазоне от 10 Ом до 7 кОм.

6.9. Амплитуда первой гармоники остаточного напряжения на поврежденной фазе в режиме С равна 233 В. Амплитуда первой гармоники остаточного тока через место повреждения в режиме В при R₀=10 Ом равна 1,2 А.

6.10. Погрешность резонансной настройки КНПС в режиме А нормального функционирования сети при емкости С=25,6 мкФ и поисковой частоте 6,25 Гц, равна ± 1 %.

1. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. М.: Госэнергоиздат, 1959.

2. Лихачев Ф.Л. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. М.: Энергия, 1971.

3. Лихачев Ф.А. Защита от внутренних перенапряжений установок 3-220 кВ. М.: Энергия, 1968.

4. Правила устройства электроустановок. Раздел 1, главы 1-1 · 1-7.С., М.: Энергоиздат, 1982.

5. Обабков В.К., Целуевский Ю.Н. Разработка универсальной автоматической системы компенсации токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях высокого напряжения. В кн.: Режимы нейтрали в электрических распределительных сетях напряжением до 35 кВ. Киев, 1980.

6. Устройство для компенсации полного тока однофазного замыкания на землю / Обабков В.К., Целуевский Ю.Н. Авторское свидетельство № 813587. Бюллетень изобретений, 1981, № 10.

7. Обабков В.К., Целуевский Ю.Н. Способы построения самонастраивающихся систем с поисковой модуляцией параметров в электрических сетях с компенсированной нейтралью. “Известия вузов - Энергетика”, 1979, № 12.

8. Способы автоматической настройки колебательного контура / Обабков В.К., Сергин Е.В., Целуевский Ю.Н. Авторское свидетельство № 718891. Бюллетень изобретений, 1980, № 8.

9. Устройство для автоматической настройки компенсации емкостного тока однофазного замыкания на землю электрической сети переменного тока / Обабков В.К., Целуевский Ю.Н., Сергин Е.В. Авторское свидетельство № 738620. Бюллетень изобретений, 1980, № 26.

10. Автоматический регулятор резонансного состояния контура нулевой последовательности сети / Обабков В.К., Целуевский Ю.Н., Сергин Е.В. Авторское свидетельство № 813585. Бюллетень изобретений, 1981, № 10.

11. Устройство для автоматического регулирования тока компенсации / Брызгин О.Р., Трухан А.П. Авторское свидетельство № 296189. Бюллетень изобретений, 1971, № 8.

12. Устройство для автоматической компенсации тока однофазного замыкания на землю / Обабков В.К., Целуевский Ю.Н., Сергин Е.В. Авторское свидетельство № 760292. Бюллетень изобретений, 1980, № 32.

    http://masters.donntu.ru/2005/eltf/tityaev/library/5.htm