Development of an arc extinguishing reactor control system

Full Text

Введение

Способ заземления нейтрали через дугогасящий реактор является наиболее эффективным, так как включает в себя большое количество достоинств. Но при неправильном использовании его достоинства просто сводятся к нулю. В России всё чаще стали использовать заземление нейтрали через дугогасящий реактор в сетях среднего напряжения. Но из-за недостатка качественного оборудования и недостаточной настройки компенсации многие специалисты считают данный способ заземления не то чтобы неэффективным, а более того, – негативно сказывающимся на работе электрической сети среднего напряжения. Именно из-за этого необходимо более подробно рассматривать данные сети, производить анализ работы электрической сети и математический расчёт режимов работы электрической сети. Посредством данного анализа и математического расчёта будет доступна полная картина работы электрической сети. А из этого можно делать выводы о параметрах настройки компенсации и работы дугогасящего реактора в целом [6].

Существующие различные методы определения емкостного тока замыкания на землю, которые возможно классифицировать следующим образом: по модели сети; по реактивным проводимостям; по фазовым характеристикам; по амплитудным (экстремальным) характеристикам; по частотным параметрам; по постоянной времени восстановления напряжения поврежденной фазы; по соотношению величин параметров нулевой последовательности сети [7].

Результаты и обсуждение

На первоначальном этапе исследования разработаем математическую модель для исследования электрической сети с компенсацией емкостных токов замыкания на землю с помощью дугогасительного реактора. Схему замещения представим в трехфазном исполнении с поперечными ветвями, моделирующими ёмкостную и активную проводимости, учитывая при этом магнитосвязанные цепи.

Рисунок 1 – Схема замещения электрической сети 35 кВ с компенсированной нейтралью

Математическая модель источника задается синусоидальными ЭДС.

Уравнение потенциала нейтрали представлена в виде [6]:

${\varphi }_N=\left(i_{aт}+i_{bт}+i_{cт}\right)\frac{L_{р}{R}_{т}-L_{т}{R}_{р}}{3L_{р}+L_{т}}+\frac{{\varphi }_{aн}+{\varphi }_{bн}+{\varphi }_{cн}-e_a-e_b-e_c}{3+L_{т}/L_{р}},$     (1)

где i_aт, i_bт, i_cт – фазные токи в обмотке низшего напряжения питающего трансформатора; R_р, L_р – активное сопротивление и индуктивность реактора; R_т, L_т – активное сопротивление и индуктивность рассеяния обмотки низшего напряжения питающего трансформатора; φ_aн, φ_bн, φ_cн – потенциалы на выводах трансформатора, – ЭДС в обмотках низшего напряжения питающего трансформатора [6].

Фазные падения напряжения в поврежденной линии от ее начала до точки замыкания представлены уравнениями:

$R_{н}{i}_{aн}+L_{н}\frac{d{i}_{aн}}{dt}+M_{abн}\frac{d{i}_{bн}}{dt}+M_{acн}\frac{d{i}_{cн}}{dt}={\varphi }_{aн}-{\varphi }_{aз},$     (2)

$R_{н}{i}_{bн}+L_{н}\frac{d{i}_{bн}}{dt}+M_{abн}\frac{d{i}_{aн}}{dt}+M_{bcн}\frac{d{i}_{cн}}{dt}={\varphi }_{bн}-{\varphi }_{bз},$     (3)

$R_{н}{i}_{cн}+L_{н}\frac{d{i}_{cн}}{dt}+M_{bcн}\frac{d{i}_{bн}}{dt}+M_{acн}\frac{d{i}_{aн}}{dt}={\varphi }_{cн}-{\varphi }_{cз},$      (4)

Для поперечных ветвей дифференциальные уравнения могут быть представлены в следующем виде:

$\left(C_{abн}+C_{acн}+C_{aн}\right)\frac{d{\varphi }_{aн}}{dt}-C_{abн}\frac{d{\varphi }_{bн}}{dt}-C_{acн}\frac{d{\varphi }_{cн}}{dt}=i_{aт}-i_{aн}-\sum _{i=1}^n{i}_{aлi}-\frac{{\varphi }_{aн}}{R_{ун}},$    (5)

$-C_{abн}\frac{d{\varphi }_{aн}}{dt}+\left(C_{bcн}+C_{abн}+C_{bн}\right)\frac{d{\varphi }_{bн}}{dt}-C_{bcн}\frac{d{\varphi }_{cн}}{dt}=i_{bт}-i_{bн}-\sum _{i=1}^n{i}_{bлi}-\frac{{\varphi }_{bн}}{R_{ун}},$    (6)

$-C_{acн}\frac{d{\varphi }_{aн}}{dt}-C_{bcн}\frac{d{\varphi }_{bн}}{dt}+\left(C_{acн}+C_{bcн}+C_{cн}\right)\frac{d{\varphi }_{cн}}{dt}=i_{cт}-i_{cн}-\sum _{i=1}^n{i}_{cлi}-\frac{{\varphi }_{cн}}{R_{ун}}.$    (7)

Принимая во внимание, что дугогасящий реактор настраивается на фазную ёмкость некоторым рассогласованием (не более 0,1), то при выделении поврежденной линии уравнение настройки реактора будет иметь следующий вид:

$L_{р}=\frac{\mathrm{0,9...1,1}}{{\omega }^2\left[\left(C_{\mathrm{0,}a,п}+C_{\mathrm{0,}b,п}+C_{\mathrm{0,}c,п}\right)l_{п}+{\displaystyle \sum _{i=1}^n\left(C_{\mathrm{0,}a,i}+C_{\mathrm{0,}b,i}+C_{\mathrm{0,}c,i}\right)l_i}\right]}$    (8)

Для определения начальных условий необходимо рассчитать предшествующий установившийся режим. Расчет производится согласно схеме замещения (рис. 1) при отсутствии замыкания на землю.

При вычислении токов нагрузки исключается сначала составляющая напряжений нулевой последовательности, а затем составляющая токов нулевой последовательности. Модель нагрузки имеет вид:

${\dot{U}}_{aк12}=\frac{1}{3}\left(2{\dot{U}}_{aк}-{\dot{U}}_{bк}-{\dot{U}}_{cк}\right)$    (9)

${\dot{U}}_{bк12}=\frac{1}{3}\left(2{\dot{U}}_{bк}-{\dot{U}}_{aк}-{\dot{U}}_{cк}\right)$   (10)

${\dot{U}}_{cк12}=\frac{1}{3}\left(2{\dot{U}}_{cк}-{\dot{U}}_{aк}-{\dot{U}}_{bк}\right)$   (11)

${\dot{I}}_{0нг}=\frac{1}{3}\left(\frac{S_{aнг}^{*}}{U_{aк12}^{*}}+\frac{S_{bнг}^{*}}{U_{bк12}^{*}}+\frac{S_{cнг}^{*}}{U_{cк12}^{*}}\right)$    (12)

${\dot{I}}_{aнг}=\frac{S_{aнг}^{*}}{U_{aк12}^{*}}-{\dot{I}}_{0нг}$    (13)

${\dot{I}}_{bнг}=\frac{S_{bнг}^{*}}{U_{bк12}^{*}}-{\dot{I}}_{0нг}$   (14)

${\dot{I}}_{cнг}=\frac{S_{cнг}^{*}}{U_{cк12}^{*}}-{\dot{I}}_{0нг}$   (15)

Для тока фазы «А» в начале i-той линии по первому закону Кирхгофа можно записать в следующем виде:

${\dot{I}}_{aлi}={\dot{I}}_{ai}+{\dot{U}}_{ai}\left[\frac{1}{R_{уi}}+j\left(B_{ai}+B_{abi}+B_{aci}\right)\right]-j{\dot{U}}_{bi}{B}_{abi}-j{\dot{U}}_{ci}{B}_{aci},i=1\dots n,$    (16)

Напряжение смещения и напряжения в начале линии определяются уравнениями:

${\dot{U}}_N=-{\dot{I}}_{р}\left(R_{р}+j{X}_{р}\right),$    (17)

${\dot{U}}_{aн}={\dot{U}}_N+{\dot{E}}_a-{\dot{I}}_{aт}\left(R_{т}+j{X}_{т}\right),$    (18)

${\dot{U}}_{bн}={\dot{U}}_N+{\dot{E}}_b-{\dot{I}}_{bт}\left(R_{т}+j{X}_{т}\right),$    (19)

${\dot{U}}_{cн}={\dot{U}}_N+{\dot{E}}_c-{\dot{I}}_{cт}\left(R_{т}+j{X}_{т}\right),$    (20)

На принципиальной схеме управления плунжерным дугогасящим реактором (рис. 2) в цепи силовой обмотки реактора установлен трансформатор тока. Для обратной связи по напряжению используется обмотка трансформатора напряжения с схемой соединения «разомкнутый треугольник». Блок логики определяет алгоритм взаимодействия измерительных блоков и блока управления приводом плунжера. Генератор импульсов возмущения, подключенный к сигнальной обмотке ДГР, имеет прямую связь с измерительным блоком частоты свободных колебаний в контуре нулевой последовательности и связь через блок логики.

Рисунок 2 – Принципиальная схема системы управления дугогасящим реактором

В устройствах настройки компенсации по экстремальным характеристикам сети (в нормальном режиме ее работы) определяют экстремум напряжения нейтрали или тока дополнительного источника непромышленной частоты, вводимого в нейтраль сети, а при замыкании на землю – минимум напряжения поврежденной фазы. Известны системы настройки компенсации с использованием экстремальных характеристик контура нулевой последовательности сети и контура «заземляющий трансформатор – сеть» [4].

В работе [5] представлен подход, основанный на теории вейвлет-преобразования, где частота контура нулевой последовательности выделяется с помощью дискретного вейвлет-преобразования. В статье [1] разработан алгоритм интервальной оценки параметра активного сопротивления потерь и индуктивности для решения задачи управления дугогасящего реактора. Основные принципы применения искусственного интеллекта в задаче управления компенсацией емкостного тока представлены в работе [2].

В нормальном режиме работы электрической сети (при отсутствии замыкания на землю) должна быть выполнена предварительная настройка дугогасящего реактора в резонансный режим по условию величины напряжения смещения нейтрали U₀ в соответствии с предлагаемым алгоритмом (рис. 3).

Рисунок 3 – Блок-схема алгоритма системы управления ДГР по экстремальному методу

Разработанная в статье математическая модель и блок управления дугогасящим реактором позволяет повысить эффективность распределительных электрических сетей среднего напряжения при возникновении однофазных замыканий на землю.

Заключение и выводы

1. Для повышения точности расчета режима распределительной сети 35 кВ и напряжения смещения нейтрали необходим учет в схеме замещения взаимных междуфазных индуктивностей воздушных линий, а также междуфазные и фазные ёмкости линий, так как по величине напряжения смещения нейтрали производится настройка реактора при отсутствии замыкания на землю.
2. Разработана модель для расчета начальных условий, представляющая собой систему уравнений установившегося режима сети до возникновения замыкания. Данная модель, в отличие от представленных ранее, учитывает несимметрию линий и составлена на основе метода фазных координат. Кроме определения начальных условий, эта модель имеет самостоятельное значение: она позволяет определить (или проверить) допустимую расстройку реактора по уровню напряжения смещения нейтрали в нормальном режиме.

Результаты работы могут быть использованы в организациях, эксплуатирующих дугогасящие реакторы в распределительных сетях 6-35 кВ, а также в научных организациях, занимающихся разработкой алгоритмов систем управления реакторами.

About the authors

Dmitry G. Safonov

Author for correspondence.
Email: safonovdg@mail.ru

Candidate of Technical Science, Associate Professor

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1

Download (171KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2

Download (144KB)

Indexing metadata

4. Fig. 3

Download (111KB)

Indexing metadata