ДУГОГАСЯЩИЕ РЕАКТОРЫ В СЕТЯХ 6-35 кВ
Реализация метода автоматического управления

Владимир Козлов, НПП «Бреслер», Владимир Ильин, НПП «ЭКРА», г. Чебоксары

В Положении о технической политике в распределительном электросетевом комплексе, утвержденном 25 октября 2006 года распоряжением председателя правления ОАО «ФСК ЕЭС», определено, что «при новом строительстве, расширении и реконструкции сетей напряжением 6–35 кВ необходимо рассматривать варианты проектных решений сети с нейтралью, заземленной через дугогасящий реактор с автоматической компенсацией емкостных токов, и нейтралью, заземленной через резистор».
В свете данного положения новую актуальность получил вопрос о принципах автоматического управления дугогасящими реакторами, который неоднократно поднимался в нашем журнале (www.news.elteh.ru).
Авторы из Чебоксар предлагают свой метод автоматического управления ДГР – использование частоты свободных колебаний контура нулевой последовательности.

ПРОБЛЕМЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТОРОВ

Уже немало публикаций в СМИ посвящено рассмотрению принципов автоматического управления дугогасящими реакторами, анализу их достоинств и недостатков [к примеру, 2, 4, 5], а также новым предложениям [3].
В основе всех методов контроля уровня расстройки компенсации емкостного тока сети лежит определение параметров контура нулевой последовательности (КНП) данной сети. Под параметрами контура обычно понимаются R – активное сопротивление, L – индуктивность, C – емкость сети относительно земли. Однако во многих методах эти параметры непосредственно не определяются, а для контроля настройки контура в резонанс или степени его расстройки используются косвенные информационные признаки, например, максимальное (при резонансе) и текущее значение напряжения смещения нейтрали U₀ сети или его фаза [2].
Можно выделить две основные проблемы использования напряжения U₀ в качестве основного информационного сигнала. Первая – низкий уровень напряжения U₀. Вторая – высокая степень его зашумленности.
В естественных условиях напряжение U₀ многими воспринимается как мусорная корзина, собирающая все помехи, существующие в сети и зависящие от многих факторов. В сетях с малой степенью естественной несимметрии (кабельные сети) напряжение U₀ ничтожно мало и порождается в основном различного рода высокочастотными составляющими, к тому же зависящими от тока нагрузки [2].
Поэтому только повышением чувствительности канала измерения при косвенных методах контроля КНП сети эти проблемы решить нельзя.
Для разделения помехи и полезного сигнала U₀ величину последнего необходимо повысить. Достигается это пассивными [4] или активными [5] методами искусственного смещения нейтрали.
Наиболее простой и часто используемый пассивный метод – подключение дополнительного конденсатора к фазе сети.
Обычно добротность КНП сетей составляет 20–50 и резонансная характеристика (зависимость U₀ = f(wL_К), где wL_К – индуктивное сопротивление ДГР) ярко выражена. В этих условиях простота реализации косвенных методов настройки КНП в сочетании с пассивными методами искусственного смещения нейтрали объясняют их сравнительно широкое использование в системах автоматической настройки ДГР.
В последнее время всё большей популярностью пользуется комбинированное заземление нейтрали, т.е. подключение параллельно ДГР резистора [6]. Величина этого резистора выбирается в пределах от 300 до 2500 Ом, что приводит к падению добротности КНП сетей до 3–8. Как следствие, проявляется один из недостатков автоматических регуляторов настройки ДГР, использующих для настройки амплитуду или фазу напряжения U₀, – неопределенность работы на пологих участках резонансной характеристики, т.е. по существу происходит отказ регуляторов.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СВОБОДНЫХ КОЛЕБАНИЙ КНП

От недостатков методов, контролирующих напряжение смещения нейтрали U₀ сети или его фазу, можно избавиться, перейдя к контролю частоты свободных колебаний КНП, так как частота w_св и затухание d свободных колебаний определяются только параметрами КНП и не зависят от причин, вызвавших эти колебания, то составляющую напряжения U₀, соответствующую свободным колебаниям КНП, можно записать в виде:

(1)

где t^' – время, отсчитываемое от момента возникновения колебаний.
Задача автоматического регулятора ДГР – поддерживать заданный уровень расстройки компенсации:

(2)

где Т – период напряжения сети.
Поэтому для этой задачи достаточно определить лишь период Т_св свободных колебаний. Но этим информация, содержащаяся в кривой U_0,св, не исчерпывается. Можно определить добротность КНП сети:

(3)

а если привлечь дополнительную информацию, например ток ДГР, то найти и непосредственные параметры контура – R, L, C.
Как отмечено в [5], за 30 лет использования ДГР не удалось создать автоматические регуляторы, использующие метод контроля частоты свободных колебаний КНП. Причина этого всё та же – малая величина и сильная зашумленность контролируемого напряжения U₀.
Выделить из этого сигнала составляющую свободных колебаний на старой элементной базе не представлялось возможным. Однако микропроцессорная техника в сочетании с современными методами цифровой обработки информации и хорошим качеством измерений позволяют это сделать.

РЕЗУЛЬТАТЫ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ

В качестве примера на рис. 1–4 приведены реальные осциллограммы напряжения 3U₀ на 1-й и 2-й секции шин ПС «Западная» Северных сетей «Чувашэнерго». На осциллограмме показаны режимы: стационарный до момента возмущающего воздействия на КНП и после возмущения. Отдельно показан участок, на котором производилось выделение свободных колебаний, хотя визуально трудно представить, что эти режимы можно разделить и выделить из них составляющую свободных колебаний. Сама кривая выделенного напряжения U_0,св свободных колебаний приведена рядом с осциллограммой 3U₀.
Интересно, что секции данной подстанции резко различаются по добротности. Для первой секции добротность Q более 32, для второй – порядка 9. Осциллограммы приведены для двух режимов секций: настроенных на режим компенсации (на терминале был установлен режим перекомпенсации u = –1 для обеих секций) и максимально расстроенных путем вывода плунжеров ДГР в крайнее положение. Видно, что во всех режимах микропроцессорный регулятор четко выделяет свободную составляющую.
Свободные колебания в контуре возникают после возмущающего воздействия, в обычных условиях являющегося случайным фактором. Очевидно, что для задачи автоматического управления ДГР это воздействие должно быть целенаправленным и создаваться устройством управления. В рассматриваемом случае с этой целью производилась инжекция тока в КНП через сигнальную обмотку ДГР – рис. 5 [3]. Как видно из осциллограмм, возмущение может быть кратковременным и незначительным по величине, т.е. не оказывающим практического влияния на сеть в отличие от стационарного смещения нейтрали.
Все измерения, расчеты и осциллографирование выполнялись микропроцессорным регулятором «Бреслер-0107.060», установленным на данной подстанции для управления двумя плунжерными ДГР.
Применение микропроцессорного терминала в качестве автоматического устройства управления ДГР позволило получить ряд полезных результатов. В частности, для определения пределов регулирования расстройки имеется возможность автоматически снять характеристики ДГР (см. рис. 6). В этом режиме плунжер перемещается из одного крайнего положения в другое, затем обратно, и каждые 0,5 с контролируется расстройка. Из характеристики видно, что при расстройке порядка –22 наблюдается искажение кривой, что позволяет сделать предположение о дефекте механизма плунжера.
Все результаты запусков программы контроля расстройки и привода ДГР сохраняются в журнале событий. На рис. 7 приведен результат обработки журнала по параметру добротность. Видно, что на определенном интервале наблюдения добротность для 2-й секции шин постоянно уменьшалась, что косвенно свидетельствует о снижении изоляции секции.

ВЫВОДЫ

1. Частота свободных колебаний контура нулевой последовательности сети зависит только от параметров контура и не зависит от возмущающих воздействий. Поэтому метод настройки ДГР по частоте свободных колебаний свободен от недостатков, присущих экстремальным методам. Данный метод наиболее перспективен для использования в автоматических регуляторах ДГР, в том числе и в сетях с комбинированным режимом заземления нейтрали.
2. Автоматические регуляторы ДГР, использующие для определения расстройки частоту свободных колебаний КНП, могут быть реализованы только на микропроцессорной базе с использованием цифровых способов обработки информации.
3. Применение микропроцессорной элементной базы в автоматических регуляторах ДГР позволяет повысить точность настройки компенсации и расширить их функциональные возможности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Князев В., Боков Г. Техническая политика ФСК. Требования к распределительному электросетевому комплексу // Новости ЭлектроТехники. – 2006. – № 6(42).
2. Druml G., Kugi A., Parr B. Дугогасящие реакторы 6–35 кВ. Повышение точности настройки // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 1(43).
3. Druml G., Seiferd O. Дугогасящие реакторы 6–35 кВ. Новый метод определения параметров сети // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 2(44).
4. Миронов И.А. Дугогасящие реакторы 6–35 кВ. Автоматическая компенсация емкостного тока // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 3(45).
5. Миронов И.А. Дугогасящие реакторы 6–35 кВ. Автоматическая компенсация емкостного тока // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 5(47).
6. Ильиных М., Сарин Л., Ширковец А., Буянов Э. Компенсированная и комбинированно заземленная нейтраль. Опыт эксплуатации сети 6 кВ металлургического комбината // Новости ЭлектроТехники. – 2007. – № 2(44). – С. 68–72.