ДУГОГАСЯЩИЕ РЕАКТОРЫ В СЕТЯХ 6-35 кВ

Автоматическая компенсация емкостного тока

Рассказывая о проблемах выбора современной автоматики для компенсации емкостного тока замыкания на землю, в первой части своего материала («Новости ЭлектроТехники» № 3(45) 2007) Игорь Алексеевич Миронов отметил, что в сетях 6-35 кВ применяются автоматические регуляторы, использующие различные принципы настройки. Он рассмотрел плюсы и минусы таких принципов, как использование фазовых и амплитудных характеристик контура нулевой последовательности сети.
Сегодня автор рассказывает о других способах автоматической компенсации емкостного тока замыкания на землю.

Игорь Миронов, филиал ОАО «Инженерный центр ЕЭС» – «Фирма ОРГРЭС», г. Москва

ПРИНЦИП ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ (ТОКА) НЕПРОМЫШЛЕННОЙ ЧАСТОТЫ

Разработка методов настройки компенсации емкостного тока на непромышленной частоте была вызвана в первую очередь идеей отстройки измеряемых параметров от наводок и напряжения естественной несимметрии на нейтрали сети частоты 50 Гц. Наибольшее развитие получили методы настройки, использующие частоты, кратные 50 Гц (100 [1] и 25 Гц [2]), ввиду относительной простоты создания генераторов соответствующих сигналов.
В настоящее время в ряде энергосистем эксплуатируются автоматические регуляторы, использующие для своей настройки непромышленную частоту 100 Гц (на частоте 25 Гц имеются разработки только измерителей расстройки компенсации [2]).

Измерение степени расстройки компенсации при подключении к нейтрали источника частотой 100 Гц

Схема подключения источника частотой 100 Гц аналогична схеме подключения источника промышленной частоты на рис. 1б, опубликованном в первой части материала (см. «Новости ЭлектроТехники» № 3(45) 2007, стр. 62, а также на сайте www.news.elteh.ru. – Ред.). Для получения сигнала частотой 100 Гц в специальную обмотку дугогасящего реактора вводится выпрямленное по двухполупериодной схеме напряжение частотой 50 Гц и амплитудой U_m.

При разложении в ряд Фурье униполярного выпрямленного сигнала синусоидальной формы мы получаем сигнал, состоящий из постоянной составляющей и суммы четных гармоник:

Рис.1. Схема замещения компенсированной сети при подключении к дополнительной обмотке ДГР источника оперативного тока непромышленной частоты w_Н = 100 Гц

U_Н – напряжение источника оперативного тока непромышленной частоты w₀;
L_Э1 и R_Э1 – эквивалентные индуктивность и активное сопротивление источника оперативного тока и дополнительной обмотки дугогасящего реактора;
L_Э2 и R_Э2 – эквивалентные индуктивность и активное сопротивление обмотки компенсации дугогасящего реактора и присоединительного трансформатора;
₁₀₀ и ₁₀₀ – напряжение на емкости сети и ток непромышленной частоты w₀;
L_рн и R_рс – индуктивность намагничивания и активное сопротивление дугогасящего реактора, соответствующие потерям активной мощности в стали магнитопровода и баке;
С – емкость сети относительно земли;
R_с – активное сопротивление, обусловленное токами утечек через изоляцию фаз сети на землю.

Отбросив постоянную составляющую и высшие четные гармоники, получим, что амплитуда полезного сигнала 100 Гц будет равна:

На рис. 1 приведена схема замещения компенсированной сети при подключении к дополнительной обмотке дугогасящего реактора источника непромышленной частоты w_Н = 100 Гц. Как видно из рис. 1, в схеме замещения для данного метода отсутствует источник напряжения естественной несимметрии частотой 50 Гц. На емкости сети С измеряется напряжение U₁₀₀ и ток I₁₀₀ частоты w_Н, протекающий по емкости и активному сопротивлению сети относительно земли.
Емкостная проводимость сети b_CH = w_НС на частоте 100 Гц определяется из соотношения:

(1)

где g = 1/R_C – активная проводимость сети.
Емкостная проводимость b_C сети на основной частоте w = 50 Гц:

(2)

Откуда, подставив значение емкости С из (1), получим измеренное значение емкостной проводимости сети:

(3)

К недостаткам данного метода можно отнести то, что в контуре нулевой последовательности измеряется полный ток I₁₀₀, который состоит из суммы реактивной и активной составляющих. Причем в активные потери, которыми мы пренебрегли в формуле (1), входят активные потери в ДГР. Наибольшая погрешность будет наблюдаться у ДГР с подмагничиванием, у которых активные потери сильно зависят от тока подмагничивания [3] и могут достигать значений 5–7% от компенсирующей мощности (у плунжерных ДГР этот показатель составляет 2–3%).
Настройка ДГР осуществляется исходя из равенства емкостной b_C и индуктивной b_L проводимостей на основной частоте сети w = 50 Гц:

Для этого в память регулятора заносятся паспортные (снятые при наладке) зависимости индуктивности реактора (от величины магнитного зазора L = f(s) для плунжерных реакторов или от тока подмагничивания L = f(I_П) и L = f(U) для реакторов с подмагничиванием). При этом любое изменение характеристик ДГР в процессе эксплуатации будет приводить к погрешностям в настройке. Следовательно, еще одним недостатком данного принципа является отсутствие обратной связи в контуре регулирования.

Измерение степени расстройки компенсации при использовании источника контрольного тока частотой 25 Гц

(4)

При U₂₅ = const напряжение смещения нейтрали на частоте 25 Гц зависит только от степени настройки компенсации.
Для измерения степени расстройки компенсации напряжение U_L* сравнивается с опорным напряжением U_оп, равным U_L при
т.е. U_оп* = 1/3.

Измеряемый прибором сигнал равен:

(5)

Зависимость

Следовательно, угловая частота свободных колебаний напряжения на нейтрали:

где T₀ и Т – период собственных колебаний и период колебаний рабочего напряжения.
Пользуясь этим выражением, по изменению напряжения на нейтрали u_0(t) можно определить с достаточной точностью степень расстройки компенсации:

где n – число периодов, взятое для сравнения.
Тридцатилетний опыт работы показал невозможность создания автоматического регулятора на принципе измерения частоты свободных колебаний для плунжерных ДГР.
Главной причиной этого является дискретность управления и соответственно очень длительное время настройки: необходимо с каким-то заданным шагом постоянно останавливать реактор и производить измерение расстройки, а при «проскакивании» резонанса принимать решение о реверсировании направления и изменении шага поиска.
Также требуется постоянно изменять шаг поиска при изменении уровня напряжения смещения нейтрали (при изменении коэффициента затухания сети или при работе в начале и в конце диапазона регулирования). При более плоской резонансной кривой должен быть один шаг, при более острой – другой. Все вышеуказанные недостатки могут привести к излишним срабатываниям привода ДГР и стать причиной выхода его из строя.
Следует отметить еще одну модификацию регулятора РАНК-2, о котором мы упоминали в первой части материала, – авторегулятор РАНК-В, который состоял из двух частей: собственно регулятора РАНК-2, работающего как фазовый регулятор в нормальном режиме и режиме металлического замыкания на землю, и дополнительного блока, работающего в режиме дугового замыкания на землю, принцип действия которого основан на измерении частоты свободных колебаний на нейтрали.
Однако у регуляторов РАНК-В эксплуатацией отмечался один существенный недостаток – большое количество ложных срабатываний, что приводило к частой работе и износу плунжера ДГР и явилось причиной отказа от дальнейшей эксплуатации регуляторов РАНК-В.

НЕОБХОДИМЫЕ РЕШЕНИЯ

• эксплуатируется много регуляторов, разработанных в 60–80-е годы прошлого столетия;
• в большинстве эксплуатируемых регуляторов были заложены недоработанные схемотехнические решения;
• элементная база большинства регуляторов на сегодняшний день морально и физически устарела, и они стали практически неремонтопригодны;
• около 70% старых автоматических регуляторов сломаны или выведены из строя по причине неверной работы.

• в основу алгоритмов и схемотехнических решений необходимо положить принципы настройки по амплитудным и фазовым характеристикам контура нулевой последовательности сети, а принципы измерения частоты свободных колебаний и использования непромышленной частоты применять как вспомогательные опции для проверки точности настройки;
• схемотехнически микроконтроллерный регулятор путем изменения входных и выходных блоков сопряжения должен быть совместим с любым типом дугогасящих реакторов и любым способом создания искусственной несимметрии;
• блочная структура управляющей программы микроконтроллера должна позволять изменять программу под любой тип дугогасящего реактора;
• в регуляторе необходимо вести запись журнала событий и аварийных осциллограмм;
• должна быть заложена возможность обмена информацией с диспетчерским терминалом (RS-232, RS-485, USB и т.п.).

ВЫВОДЫ

1. Опыт применения автоматических регуляторов для дугогасящих реакторов в России показывает, что наиболее распространенными и перспективными являются фазовые и амплитудные способы настройки в резонанс с созданием искусственного смещения нейтрали в сети 6–35 кВ.
2. Применение принципов регулирования с использованием только естественной несимметрии или частот, близких к 50 Гц, представляется малоперспективным направление ввиду большого количества помех и практически полного отсутствия сигнала в кабельных сетях.
3. В сетях 6–35 кВ с защитами от замыкания на землю, использующими принцип измерения наложенного тока непромышленной частоты (16, 25, 100 Гц), необходимо внедрять автоматическую настройку компенсации на основе плавнорегулируемых дугогасящих реакторов и современных микроконтроллерных регуляторов, так как резонансная настройка ДГР на основной частоте сети (50 Гц) никак не влияет на селективную работу защит, реализуя при этом все положительные стороны компенсации емкостных токов.

Литература

1. Петров О.А. Система автоматической настройки дугогасящей катушки // Электрические станции. – 1973. – № 1.
2. Вайнштейн Р.А., Третьяков Б.Г. Прибор для измерения степени расстройки компенсации емкостных токов // Электрические станции. – 1986. – № 4.
3. Миронов И.А. Режим заземления нейтрали в сетях 6–35 кВ // Новости ЭлектроТехники. 2004. – №6(24).
4. Головко С. И., Вайнштейн Р. А., Коберник Е. Д. Защита от замыканий на землю обмотки статора генераторов, работающих на сборные шины // Электрические станции. – 1981. – № 10.
5. Головко С.И., Потапов П.Н. Измерение расстройки компенсации в сетях 6–35 кВ. // Электрические станции. – 2003. – № 9.
6. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и компенсацией емкостных токов. – М.: Энергия, 1971.
7. Гумин М.И. Автоматизация компенсации емкостных токов замыкания на землю в электрических сетях. – М.: 1988.