устройство для измерения емкости сети с изолированной нейтралью

Формула изобретения

Устройство для измерения емкости сети с изолированной нейтралью, содержащее подключенный в нейтраль сети через сигнальную обмотку дугогасящего реактора или отдельный трансформатор источник непромышленной частоты и трансформатор напряжения с обмоткой соединенной в разомкнутый треугольник, отличающееся тем, что источник непромышленной частоты содержит зарядный блок, заряжающий подключенный к его выходу конденсатор, который через управляемый коммутатор периодически разряжается на сигнальную обмотку дугогасящего реактора или обмотку отдельного трансформатора, а сигнал, пропорциональный емкости сети, получается с выхода обмотки трансформатора напряжения, соединенной в разомкнутый треугольник, через последовательно соединенные первое дифференцирующее звено, второе дифференцирующее звено, амплитудный детектор и делитель, при этом блок синхронизации, соединенный своим входом со вторым дифференцирующим звеном, а выходом - с управляемым коммутатором, обеспечивает разряд конденсатора через управляемый коммутатор в момент перехода напряжения смещения нейтрали и его второй производной через нуль.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам измерения и компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением 6...35 кВ, и может быть использовано для точного измерения емкости фаз сети на землю для последующей резонансной настройки дугогасящих реакторов (ДГР).

Известно большое количество способов и устройств измерения емкости сети с изолированной нейтралью и автоматической настройки дугогасящих реакторов [1] . В большинстве практически применяемых систем компенсации используется предварительная резонансная настройка компенсирующих устройств без непосредственного измерения значения емкости сети, когда дугогасящие реакторы настраиваются до момента возникновения замыкания на землю по естественному либо искусственно созданному смещению напряжения нейтрали сети. В этих случаях, согласно ПУЭ, необходимо вводить расстройку компенсации не менее 5% от резонанса, что снижает точность компенсации и соответственно увеличивает остаточный ток в месте замыкания. К тому же, такие способы неприменимы для новых типов дугогасящих реакторов, в частности, управляемых подмагничиванием, для которых необходима быстрая и точная настройка в резонанс после возникновения замыкания на землю по замеренному в нормальном режиме работы значению емкости сети.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является способ измерения емкости сети с изолированной нейтралью, заключающийся в создании на нейтрали искусственного потенциала путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора либо через отдельный трансформатор и измерении напряжения смещения нейтрали на разомкнутой обмотке трансформатора напряжения [1]. При этом используется дополнительно подключаемый на сигнальную обмотку реактора генератор синусоидального сигнала непромышленной частоты, например, повышенной 100 Гц либо пониженной 16,6 Гц. В нормальном режиме работы сети генератор непрерывно обеспечивает смещение нейтрали, которое зависит от величины емкости фаз сети на землю и фиксируется на выходе обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник. Такие устройства успешно работают и обеспечивают измерение емкости сети для последующей резонансной настройки дугогасящего реактора, однако указанный способ измерения имеет ряд недостатков, снижающих точность измерения при наличии естественного напряжения смещения нейтрали или параллельно подключенных ДГР, а также непрерывные потери, связанные с работой синусоидального источника непромышленной частоты.

Для устранения этих недостатков в качестве источника непромышленной частоты предлагается использовать периодический разряд на сигнальную обмотку предварительно заряжаемого конденсатора, при этом сигнал, обратно пропорциональный емкости фаз сети на землю, выделяется с помощью амплитудного детектора на выходе дифференцирующего звена, подключенного к выходу обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник. Чем больше емкость сети, тем при неизменном заряде конденсатора пропорционально меньше скорость заряда емкости сети и, соответственно, амплитуда производной напряжения заряда емкости сети на выходе дифференцирующего звена, подключенного к обмотке трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник. Чтобы получить вместо обратной прямо пропорциональную зависимость от емкости сети достаточно взять обратную величину сигнала на выходе амплитудного детектора с помощью делителя или аналогичного элемента, обеспечивающего обратную функцию 1/х.

Однако и в этом случае при существенно меньших потерях на измерение и отсутствии влияния параллельно включенных ДГР и других индуктивностей (благодаря малой длительности и высокой эквивалентной частоте импульса разряда конденсатора) такое устройство может иметь ощутимую погрешность при значительной величине напряжения смещения нейтрали, которая допускается и реально достигает в воздушных сетях 15%. По этой же причине такой способ принципиально не применим для измерения в режиме однофазного замыкания, когда смещение нейтрали соответствует фазному напряжению (100%). Поэтому предложенная схема должна быть дополнена блоком синхронизации, обеспечивающим разряд конденсатора в момент прохождения естественного смещения напряжения нейтрали (напряжения помехи) через нуль.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности устройства для измерения емкости сети, расширение его функциональных возможностей и снижение потерь в режиме измерения.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения емкости сети с изолированной нейтралью, содержащем подключенный в нейтраль сети через сигнальную обмотку дугогасящего реактора или отдельный трансформатор источник непромышленной частоты и стандартный трансформатор напряжения с обмоткой, соединенной в разомкнутый треугольник, источник непромышленной частоты содержит зарядный блок и подключенный к его выходу конденсатор, который через управляемый коммутатор периодически разряжается на сигнальную обмотку дугогасящего реактора или на обмотку отдельного трансформатора, а сигнал, пропорциональный емкости сети, получается с выхода обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник, через последовательно соединенные первое дифференцирующее звено, второе дифференцирующее звено, амплитудный детектор и делитель, при этом блок синхронизации, соединенный своим входом со вторым дифференцирующим звеном, а выходом - с управляемым коммутатором, обеспечивает разряд конденсатора через управляемый коммутатор в момент перехода напряжения смещения нейтрали и его второй производной через нуль.

Для пояснения принципа действия на чертеже приведена одна из возможных структурных схем устройства.

Схема содержит зарядный блок 1, подключенный своим входом к питающей сети 220 В, 50 Гц, конденсатор 2, подключенный через управляемый коммутатор 3 к сигнальной обмотке дугогасящего реактора 4, который в свою очередь подключен к сети 6...35 кВ через питающий трансформатор, стандартный трансформатор напряжения НТМИ или НАМИ 5, первое дифференцирующее звено 6, подключенное к обмотке трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник, а также блок синхронизации, управления и измерения 7, который через блок синхронизации (БС) управляет разрядом конденсатора и фиксирует замеренное значение емкости сети на выходе содержащейся в нем последовательной цепочки из второго дифференцирующего звена (ДЗ) 2, амплитудного детектора (АД) и делителя (Д).

Приведенная схема работает следующим образом. В нормальном режиме работы электрической сети до возникновения замыкания на землю конденсатор 2 периодически заряжается от зарядного блока 1 до фиксированного значения и разряжается через управляемый коммутатор 3 на сигнальную обмотку реактора 4. При этом каждый разряд конденсатора сопровождается соответствующим зарядом емкостей фаз сети и смещением нейтрали, которое преобразовывается на выходе трансформатора напряжения 5 с помощью дифференциального звена 6 в производную напряжения нейтрали. Применение второго дифференциального звена, состоящего, как и первое, в простейшем случае из RC - цепочки, позволяет получить вторую производную этого напряжения, после чего в амплитудном детекторе выделяется ее максимум, а в делителе вычисляется его обратная величина, прямо пропорциональная величине емкостей фаз на землю. Таким образом, при любом изменении емкостей фаз сети, вызванном оперативными переключениями, соответственно изменяется скорость их заряда, ее производная и амплитуда напряжения на выходе детектора, обратная величина которой в масштабе соответствует емкостному току или проводимости сети.

В случае появления значительного смещения нейтрали из-за несимметрии фаз сети или в результате однофазного замыкания это напряжение смещения будет накладываться как на измеряемый с трансформатора напряжения полезный сигнал, так и на напряжение разряда конденсатора 2 за счет трансформации напряжения смещения в сигнальную обмотку реактора. В результате этих процессов при отсутствии блока синхронизации и второго дифференцирующего звена погрешность результата измерения будет примерно соответствовать величине напряжения естественного смещения нейтрали.

Для того чтобы исключить влияние трансформируемого в сигнальную обмотку напряжения смещения на разряд конденсатора 2, блок синхронизации отслеживает это напряжение смещения и обеспечивает разряд конденсатора в момент перехода напряжения смещения через нуль. Причем контроль перехода напряжения через нуль можно вести и с трансформатора напряжения, и с сигнальной обмотки реактора, и по второй производной этого напряжения, проходящей через нуль одновременно.

Однако при этом в момент разряда первая производная напряжения смещения на выходе первого дифференцирующего звена будет иметь максимум и от полезного сигнала, и от напряжения естественного смещения нейтрали (когда синусоидальное напряжение смещения проходит через нуль, его производная имеет максимум). Их наложение дает ту же погрешность, а выделение полезного сигнала на фоне значительной помехи представляет серьезные аппаратные затруднения.

Но при этом вторая производная, получаемая на выходе второго дифференцирующего звена, свободна от помехи, поскольку эта вторая производная напряжения нейтрали проходит через нуль одновременно с переходом через нуль "естественного" синусоидального напряжения смещения нейтрали. В результате полезный сигнал от разряда конденсатора, длительность которого значительно меньше одной миллисекунды, беспрепятственно получается и обрабатывается в блоке 7 с помощью дифференцирующих звеньев, амплитудного детектора и делителя независимо от наличия и уровня напряжения смещения нейтрали промышленной частоты и кратных ей гармоник.

Таким образом, блок синхронизации БС и второе дифференцирующее звено ДЗ 2 исключают погрешности от влияния напряжения смещения нейтрали промышленной частоты и высших гармоник, позволяя принципиально вести измерение и в режиме однофазного замыкания на землю. Делитель Д обеспечивает получение величины, обратно пропорциональной амплитуде второй производной на выходе амплитудного детектора АД и прямо пропорциональной емкости, емкостному току и емкостной проводимости сети (чем больше емкость сети и ее проводимость, тем меньше измеряемый полезный сигнал с трансформатора напряжения и скорость его нарастания, но тем больше его обратная величина на выходе делителя).

При этом в принципе неважно, какими стандартными средствами достигается передача импульса разряда конденсатора в нейтраль сети и получается обратная связь от напряжения на нейтрали. При отсутствии ДГР или сигнальной обмотки в нем импульсный источник непромышленной частоты может подключаться к нейтрали через отдельный трансформатор (существующий на подстанции или дополнительный) с соответствующей схемой соединения. Трансформатор напряжения также может быть любым, в том числе состоящим из группы однофазных.

Предлагаемое устройство для измерения емкости сети с изолированной нейтралью было реализовано автором в макетных образцах и проверено совместно с сетью. Испытания показали высокую точность измерения емкости и подтвердили описанные характеристики. Реализация предлагаемого изобретения не представляет затруднений как на дискретной полупроводниковой, так и на цифровой элементной базе.

Использованная литература

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