Выбор параметра регулирования с учетом погрешности автоматической настройки реакторов в режим замыкания Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.317.736

И.Н. СТЕПАНОВ, О.В. АФАНАСЬЕВА

ВЫБОР ПАРАМЕТРА РЕГУЛИРОВАНИЯ С УЧЕТОМ ПОГРЕШНОСТИ АВТОМАТИЧЕСКОЙ НАСТРОЙКИ РЕАКТОРОВ В РЕЖИМ ЗАМЫКАНИЯ

Общим недостатком систем автоматической настройки тока компенсации в электрических сетях 6-35 кВ в нормальном режиме работы является то, что они в ряде случаев не обеспечивают гашения дуги, возникающей при замыканиях на землю из-за появления недопустимых расстроек компенсации. Расстройки возникают вследствие преднамеренных поисковых отключений фидеров, работы противоаварийной автоматики, неконтролируемых переключений в абонентских сетях, отключения релейной защитой линий для ликвидации двойных замыканий на землю, нелинейности вольт-амперных характеристик реакторов [2] и, как показывают исследования, в результате влияния погрешностей при изменении параметров сетей.

Надежность электроснабжения потребителей в сетях с компенсацией емкостных токов может быть существенно повышена, если обеспечить резонансную настройку дугогасящего реактора во время существования замыкания на землю [1].

Для проверки возможности использования автоматических устройств настройки реакторов, выполненных на принципе измерения амплитудных или фазовых характеристик сети в режиме замыкания, в статье приводятся результаты анализа влияния параметров сети на выбор оптимального параметра и расчета статических погрешностей регулирования настройки реакторов. Схема замещения трехфазной сети в режиме замыкания приведена на рис.1.

В соответствии со схемой замещения (рис.1) напряжение на нейтрали

и оЪ = и (8 л + а 2 ёв + аёс) + МСл + а 2св + аСс) + £ з (1)

Ф £л + ёв + £С + ёз + ]&(сл + Св + СС - 1/

,2„ ____________ и = Сл + а 2(СВ + аСС

Приняв £л + а £в + а£С ~ 0 и обозначив через: ке = -

Сл + Св + Сс

л £л + £в + 8с + £к д. д.

степень естественной несимметрии сети; а =----------------------- - коэффициент

Ю(Сл + Св + Сс)

ёз

демпфирования сети; аз =--------------------- - дополнительный коэффициент

а(Сл + св + Сс)

демпфирования, равный отношению активной проводимости в месте поврежде-

„ сл + Св + Сс -Иа2Ьк ния к емкостной проводимости сети; У =--------------------------- - коэффициент

сл + св + Сс

расстройки сети, запишем выражение для напряжения на нейтрали в виде

ие - }а з

и о о = иф ■

у — У (а з + а)

В режиме замыкания напряжение ио,о практически не зависит от степени несимметрии ке, так как ке << й3, поэтому

йз /(йз + й)

ф'

1 + уд/(й з + й)

Геометрическим местом концов векторов ио о является окружность диаметром й3 /(й3 + й)(рис.2).

Остаточное напряжение на поврежденной фазе вычисляется по формуле

й + уд

иоо = и АО - иоо = и.

ф'

(2)

й з + й + уд

Для контроля степени компенсации в режиме замыкания можно измерить любой из углов ф, ф! и ф2, которые равны аргументам соответствующих векторов:

Ф = агс^—, (3)

Ф1 = аг^

д

(4)

Ф2 = aгctg -

' + й 3) • й + д2

(5)

По полученным выражениям (2), (3), (4) и (5) для различных значений д, й, йЗ рассчитаны значения остаточного напряжения на поврежденной фазе и значения углов ф, ф! и ф2. Анализ полученных зависимостей ф=Дд), ф!=Дд), (ифост / иф) = /(д), (ифост /иф) = /(йз ) показывает, что возможно применение существующих автоматических устройств с использованием полученных амплитудных и фазовых характеристик сети для настройки режима компенсации во время существования замыкания на землю. Наилучшие результаты можно получить при использовании фазовой зависимости ф=/(д), так как

значение ф не зависит от коэффициента йЗ и чувствительность регулятора будет высокой даже при малых значениях расстроек компенсации.

-и -0,8 -0,6 -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 и

Рис. 2. Круговая диаграмма изменения ио’о при замыкании на землю фазы А

для й=0,25 и й3=10

Крутизна характеристик ифост / иф = /(д) зависит от коэффициента йЗ,

т.е. от сопротивления в месте замыкания, поэтому применение этих амплитудных характеристик в качестве регулируемого параметра в экстремальном устройстве для автоматической настройки может привести к недопустимым расстройкам из-за изменения чувствительности измерительного органа.

Погрешность настройки реакторов в режиме замыкания зависит от смещения амплитудных и фазовых характеристик в результате изменения таких параметров сети, как степени естественной и искусственной несимметрии ке и кп, коэффициент активных потерь в реакторе Рк , коэффициенты демпфирования линий йЛ и в месте замыкания йЗ .Искусственная несимметрия проводимостей фаз на землю необходима для снижения влияния естественной несим-метрии проводимостей на погрешность настройки реактора в нормальном режиме работы сети. Искусственную несимметрию можно получить включением добавочной емкости между одной из фаз и землей.

Пусть добавочная емкость подключена на фазу А и замыкание этой фазы происходит через переходную проводимость (рис. 1). Преобразуя выражение (1) с учетом перечисленных выше изменяющихся параметров, получаем уравнение:

иоо = и ______ке + кп - уй3_______________________

ф (1 + кп)д-]{йз + йл + Рк(1 + кп)(1 -д)]

tC „ C4 +Cg +CC-\Jo?Lk

где kn =-----------степень искусственном несимметрии; 3=---------------------

** CA+CB +CC P ’ CA +CB +Cc +tC

Pa + Pd + gc

коэффициент расстройки с учетом емкости АС; d=-------- —------- ----коэффи-

Ja(CA +CB + Cc)

циент демпфирования, обусловленный проводимостями линий; Рк =g$iK -коэффициент активных потерь в реакторе.

Выражения для параметров ке и d3 такие же, как в уравнении (1). Так как

ке = ке (cos ф0 + J sin ф0), напряжение

J = jj ке cos Фо + кп - J(ke sin Ф0 - dЗ)

ф (1 + кп)3-J[d3 + ёл + Pk(1 + кп)(1 -&)]'

Остаточное напряжение поврежденной фазы (см. рис. 2)

• • •

j AO, = j AO - Joo .

Относительный модуль остаточного напряжения

JAO,

j ф 1

Л + dn [3- ке c0s Фо - кп ]2 + ]dЛ + Pk (1 + кп )(| - 3) + ке sin Фо ]2 (6)

[(1 + кп )^]2 +[Л + йЗ + Рк (1 + кп )(1-^)]2

Анализ семейства амплитудных характеристик, полученных по выражению (6) при возможных предельных значениях параметров сети, позволяет найти минимальное значение остаточного напряжения в месте повреждения, соответствующее наименьшей величине тока замыкания, не совпадает с условием, когда коэффициент расстройки &=0. Сдвиг амплитудной характеристики в сторону положительных расстроек происходит из-за наличия активных потерь в реакторе.

На основании результатов экспериментальных исследований дугогасящих реакторов выполнен корреляционный анализ зависимости коэффициента расстройки & от коэффициента потерь Рк применительно к сетям горных карьеров, который подтверждает, что минимальный ток замыкания на землю в сети соответствует резонансной настройке реактора &=0 только в идеальном случае при отсутствии в нем потерь, т.е. при Рк = 0. Причем, чем больше коэффициент потерь Рк , тем больше смещение оптимальной настройки от резонансной в сторону положительных расстроек.

Количественная оценка этой величины позволяет сделать вывод о том, что возникающая статическая погрешность настройки индуктивности реактора незначительна (1,5-2)% и находится в пределах допустимой, а разница в абсолютной величине тока замыкания не превышает 0,5%.

Таким образом, при автоматической настройке реакторов по амплитудным характеристикам погрешность измерения коэффициентов ке и кп отсутствует, она обусловлена только величиной активных потерь в реакторах. Поэтому выражение (6) для расчета напряжения нейтрали можно упростить, принимая ке = кп = 0 . Тогда

UA0, &2 +[dЛ + Pk (І -&)]2

U ф &2 + [dЛ + dз + Pk (І - &)]

При выполнении условия йз >> йд + Р^ (1 - &), которое практически соблюдается в реальных схемах, имеем

U

AO,

U

ф

&

д/&2 + d;] 2

В режиме замыкания крутизна и максимальное значение напряжения амплитудной характеристики зависят в основном только от коэффициента расстройки и переходного сопротивления в месте повреждения.

Получим уравнение фазовой характеристики, т.е. зависимость угла между напряжениями UAO и UO'O от изменяющихся параметров сети и коэффициента расстройки, которая может использоваться для автоматической настройки реакторов в режиме замыкания. С этой целью выражения для остаточного напряжения и напряжения нейтрали упростим, пренебрегая из-за малости составляющей ke sin фо по сравнению с коэффициентом d3 и принимая І + kn « І. Тогда напряжение нейтрали

Uoo = Uф •-

ke cos Ф0 + kn - idз

& - i[dз + dЛ + Pk (І - &)] а остаточное напряж. ение поврежденной фазы

& - ke cos ф0 - kn - i(dЛ + Pk (І - &))

U AO' = Uф - Uoo = Uф ■-

&- іЛз + dЛ + Pk (І -&)]

Угол

ф = arctg

Im

Re

UAO> 1 Uoo

UAO> 1 Uoo

= arctg

dз (& - kg cos фо - kn) - (kg cos фо + kn )(dл + Pk (І - &))

(& - kg cos фо - kn )(kg cos фо + kn) + dз (dл + Pk (І - &)) Из (7) при ф=0 находим коэффициент расстройки &= (ke cos Ф0 + kn )(dЛ + Pk + dз )

(7)

(S)

dЗ + pk (ke cos Фо + kn)

По результатам расчетов по формуле (8) построены кривые изменения расстройки S от угла ф0 при следующих характерных параметрах сети: ke =0,001; kn =0,006; Pk =0,0665, (рис. 3). Наибольшая расстройка возникает при угле ф0=0, т.е. в случае совпадения векторов ke и kn , но она мала, меньше 1%. Выражение (7) при S =0 имеет вид

(ke cos Ф0 + kn )(dз + dл + Pk)

ф = arctg-

(ke cos фо + kn) - dз(dЛ + Pk)

ф0, град

Рис. 3. Зависимости 3 =(ф0) при ке=0,001, Рк=0,0665 и кп=0,006; 1 - при йЗ=4; 2 - при йЗ=40

При значениях параметров сети, взятых при определении расстройки 3 по формуле (8), произведен расчет зависимости ф=Дф0), которая приведена на рис. 4. Максимальное значение угла, взятого в качестве параметра регулирования, не превышает 4°. Точность поддержания резонансного режима во время существования замыкания высока из-за влияния переходного сопротивления в месте повреждения. Погрешность, обусловленная наличием естественной и искусственной несимметрии, мала, так как значение коэффициента велико по сравнению с другими параметрами.

Р, град

ф0, град

Рис. 4. Зависимости ф=/(фо> при ке=0,001, РК=0,0665 и кп=0,006; 1 - при dЗ=4; 2 - при dЗ=40

Приведенный анализ показывает, что: 1) применение автоматических устройств для настройки реакторов в режиме замыкания с использованием амплитудных и фазных характеристик позволяет существенно повысить точность поддержания резонансного режима компенсации; 2) наиболее выгодно использование фазовых характеристик с выбором в качестве регулируемого параметра угла ф между напряжениями поврежденной фазы в месте замыкания и смещения нейтрали.

Литература

1. Лошкарев В.И. К вопросу применения устройств автоматической настройки компенсации дугогасящих реакторов в режиме замыкания на землю / В.И. Лошкарев, В.Н. Павлов, И.Н. Степанов // Электроснабжение и автоматизация промышленных предприятий. Чебоксары, 1978. С. 103-108.

2. Розенталь А.Я. Опыт эксплуатации дугогасящих катушек и методы измерений токов замыкания на землю в системе Харьковэнерго / А.Я. Розенталь // Компенсация емкостных токов замыкания на землю в электрических сетях. Киев, 1968. С. 30-39.

СТЕПАНОВ ИВАН НИКОЛАЕВИЧ родился в 1941 г. Окончил Чувашский государственный университет. Кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения промышленных предприятий Чувашского университета. Область научных интересов -режимы нейтрали и их влияние на надежность работы систем электроснабжения промышленных предприятий.

АФАНАСЬЕВА ОЛЬГА ВЛАДИМИРОВНА родилась в 1982 г. Окончила Чувашский государственный университет. Ассистентка кафедры электроснабжения промышленных предприятий Чувашского университета. Область научных интересов - режимы нейтрали и их влияние на надежность работы систем электроснабжения промышленных предприятий.