Практическая реализация автоматической настройки дугогасящих реакторов для сетей 6-35 кВ на основе метода наложения тока непромышленной частоты

Электрические сети с заземлением нейтрали через дугогасящие реакторы (ДГР) в отечественной практике являются наиболее распространенным видом распределительных сетей городов и крупных промышленных предприятий. Необходимость поддержания настройки ДГР, близкой к резонансной, в настоящее время не вызывает сомнения. Влияние возможного отклонения настройки от резонансной снижает эффективность применения ДГР, что показано в ряде работ, например, в [1] и [2].

Авторы:

• к.т.н. Пашковский С.Н., Чернов Н.Ю., ООО НПП «ЭКРА», г. Чебоксары, Россия;
• д.т.н. Вайнштейн Р.А., Томский политехнический университет, г. Томск, Россия.

В работе [1] анализируются все факторы, влияющие на эффективность применения ДГР, а в работе [2] обращается внимание на особую важность скорости восстановления напряжения после погасания дуги и отмечается, что «…в особенности важна начальная скорость возрастания огибающей (напряжения), которая является мерой к повторному зажиганию дуги». В связи с этим важно то, что на начальную скорость восстановления напряжения в равной степени влияют как расстройка компенсации (V), так и коэффициент демпфирования (d), определяемый как отношение суммарной активной проводимости к емкостной проводимости фазсети. Влияние отклонения настройки от резонансной на действующее значение тока в месте замыкания значительно ослабляется из-за тока высших гармоник (I_вг), значение которого может быть соизмеримо с суммарным емкостным током промышлен-ной частоты. Принимая во внимание многофакторность влияния перечисленных выше параметров (V, d, I_вг), вопрос о вели-чине допустимого отклонения (ΔV) от точной настойки в резонанс на частоте 50 Гц, по нашему мнению, требует дополнительной проработки. До проработки этого вопроса разработчики устройств автоматической настройки ДГР должны ориентироваться на требования, приведенные в [3].

Согласно [3 и 4] сети с компенсацией емкостного тока должны быть оснащены устройствами для измерения степени рас-стройки компенсации и автоматической настройки ДГР и обеспечивать настройку ДГР, близкую к резонансной. Влияние точности настройки компенсации емкостного тока на процессы при однофазных замыканиях на землю (ОЗЗ) исследовано в работе Ф.А. Лихачева [1]. В работе [2] обеспечение резонансной настройки у ДГР связывают с фактором скорости восстанавливающегося напряжения на поврежденной фазе. Относительно этого параметра в [5] отмечается, что «…следует заметить, что скорость восстановления напряжения на поврежденной фазе после погасания дуги зависит и от потерь в сети: чем сеть добротнее, тем медленнее затухает колебательный переходный процесс в сети и тем медленнее восстанавливается напряжение на поврежденной фазе». В связи с изложенным автоматическое поддержание настройки ДГР, близкой к резонансной V= ±(1÷3) %, является обоснованной и важной задачей.

В настоящее время известно большое количество устройств для автоматической настойки ДГР отечественных и зарубежных производителей. Наибольшее распространение получили устройства, осуществляющие настройку ДГР в нормальном режиме работы электрической сети (до замыкания на землю). При этом задача в целом достаточно эффективно решается в сочетании с выпускаемыми промышленностью ДГР с изменяемым немагнитным зазором магнитопровода (плунжерного типа).

Одним из возможных известных методов решения задачи измерения расстройки компенсации и автоматической настройки ДГР является метод наложения на сеть тока с частотой, отличающейся от промышленной. В известных авторам устройствах, основанных на наложении на сеть токов непромышленной частоты, фильтрами выделяются токи и напряжения этой частоты, вычисляются аппаратными средствами емкостное и индуктивное сопротивления контура нулевой последовательности и далее определяется их соотношение, которое характеризует расстройку компенсации [6]. В то же время для решения задачи измерения степени расстройки компенсации определение абсолютных значений емкостного и индуктивного сопротивлений контура нулевой последовательности не требуется, а необходимо определить лишь их относительное отличие.

Один из вариантов решения такой задачи состоит в том, что специальный вспомогательный источник с частотой 25 Гц, называемый далее источником контрольного тока (ИКТ), включается последовательно в цепь ДГР. При таком включении ИКТ должен удовлетворять определенным требованиям, важнейшим из которых является отсутствие влияния на работу ДГР при замыкании на землю. Такой ИКТ подробно описан в работе [7]. Важным преимуществом такого решения является возможность совмещения функции непрерывного контроля степени расстройки компенсации емкостного тока с решением задачи селективного выявления поврежденного фидера с ОЗЗ. Это особенно важно для электрических сетей, питающихся от шин распределительного устройства генераторного напряжения электростанций. На таких объектах, как правило, имеются мощные электрические машины (генераторы, двигатели), подключенные непосредственно на генераторное напряжение. Использование метода наложения на сеть вспомогательного тока непромышленной частоты позволяет обеспечить селективную защиту у электрических машин без зоны нечувствительности вблизи нейтрали [8, 9, 10].

На рис. 1 показана схема включения ИКТ и устройства для непрерывного измерения степени расстройки компенсации для последующей настройки ДГР.

Работа системы измерения расстройки компенсации и автоматики управления настройкой ДГР по рис. 1 основана на измерении опорного напряжения (U_икт) на ИКТ и напряжения на индуктивности ДГР (U_L) и дальнейшем формировании в программной части микропроцессорного регулятора их отношения, которое однозначно связано с расстройкой компенсации. В частности, при частоте, равной половине промышленной, это отношение равно

Здесь V = 1 — I_L/I_c— расстройка компенсации, где IL = U_ф/ω_ПL и I_c = U_фω_ПС — суммарный ток ДГР и суммарный емкостный ток сети, U_ф — фазное напряжение, ω_П — промышленная частота.

Однозначная связь между величиной U_L/U_икт и расстройкой компенсации по (1) сохраняется при недокомпенсации (V>0) до 75%, при перекомпенсации (V

В микропроцессорном регуляторе из измеренных опорного напряжения на ИКТ и напряжения на индуктивности ДГР формируется сигнал, линейно зависящий от расстройки компенсации:

Где K_П — коэффициент пропорциональности.

В общем случае, в электрической сети может быть установлено несколько ДГР, подключенных к нейтралям разных трансформаторов. Для практической реализации измерения расстройки компенсации указанным выше способом ИКТ должен включаться в объединенную заземляемую шину всех ДГР. Напряжение на индуктивности (U_L) практически может измеряться на одном из ДГР из этой группы.

В схеме на рис. 1 для измерения напряжения U_икт и напряжения U_L используются типовые измерительные однофазные трансформаторы напряжения (ТН) типа ЗНОЛ-06.10. Выдача сигналов управления на мотор-привод редуктора плунжера ДГР осуществляется от микропроцессорного терминала, размещенного в составе комплекта оборудования автоматики управления ДГР.

Так как по принципу действия разработанное устройство работает правильно только в нормальном режиме сети, то в составе комплекта оборудования автоматики управления ДГР предусматривается выведение его из работы при возникновении замыкания на землю. Для этого по факту появления напряжения нулевой последовательности 3U₀, цепи управления ДГР блокируются, а входные цепи отключаются от ТН TV1 и TV2 контактами промежуточных реле, входящих в состав комплекта оборудования (на схеме рис. 1 не показаны).

При использовании плунжерных ДГР существенным фактором, ограничивающим точность настройки, особенно в диапазоне малых значений расстроек компенсации, является время выбега асинхронного двигателя реверсивного привода мотор-редуктора плунжера. В работе [11] в качестве одного из методов решения данной проблемы предложено использовать автоматический учет механических параметров и кинематической схемы привода реактора. Техническая реализация такого предложения является достаточно сложной. Уменьшение влияния выбега привода в разработанном устройстве достигнуто тем, что применено динамическое торможение электродвигателя после его отключения [12], которое может быть реализовано для типовых ДГР без вмешательства в конструкцию привода. Динамическое торможение одновременно обеспечивает значительно меньшую зависимость работы системы от параметров ее элементов, некоторые из которых могут изменяться случайным образом. Таким нестабильным параметром является момент сопротивления на валу электродвигателя, который зависит от состояния привода и окружающей температуры.

Благодаря тому, что по принципу действия сигнал, пропорциональный расстройке компенсации, определяется отношением двух напряжений и не зависит от их абсолютного значения, настройка и калибровка всей системы измерения расстройки компенсации и автоматики управления настройкой ДГР может выполняться как непосредственно на объекте применения перед вводом в работу, так и на предприятии-производителе оборудования. Для настройки и периодической проверки разработанного устройства используется широко распространенный типовой комплект испытательного оборудования для устройств РЗА, например, испытательная установка РЕТОМ или Omicron.

Измеритель расстройки компенсации, основанный на описанном выше принципе эксплуатируется с февраля 2018 г. на Западно-Сибирской ТЭЦ. Замечаний за период эксплуатации устройства не зафиксировано.

Развитием метода наложения тока непромышленной частоты является другой, практически более удобный вариант наложения вспомогательного тока. В этом варианте источник контрольного тока частотой 25 Гц включается во вторичную обмотку однофазного измерительного ТН, подключенного своей первичной обмоткой к нейтральной точке сети, например, параллельно дугогасящему реактору, как показано на рис. 2.

Практическая реализация такого варианта основана на том, что к настоящему времени в НПП «ЭКРА» разработана аппаратура для наложения контрольного тока через типовые измерительные ТН с целью выполнения защиты от замыкания на землю обмотки статора синхронных генераторов [13, 14]. Существенным отличием такой аппаратуры для ее применения в целях контроля степени расстройки компенсации является то, что для измерения параметров сети не требуется большая мощность источника контрольного тока. Это позволяет источник наложения выполнить на полупроводниковой элементной базе и существенно уменьшить габариты его элементов. Разработанный управляемый электронный генератор контрольного тока входит в состав шкафа автоматики управления настройкой ДГР. В отличие от варианта включения ИКТ непосредственно в первичную цепь ДГР, в этом варианте для формирования сигнала, пропорционального расстройке компенсации, измеряется сумма токов всех ДГР и ток в цепи заземления ТН. Существенно, что с развитием цифровых технологий передачи информации организовать измерение суммарного тока у нескольких ДГР можно независимо от их взаимного расположения. При классическом способе построения подстанции (ПС) подключение всех вторичных цепей осуществляется обычным контрольным кабелем, так как отстройка от наведенных помех осуществляется с помощью соответствующей фильтрации по основной частоте полезного сигнала.

Принципиально технически также возможно наложение контрольного тока через обмотку, соединенную по схеме «разомкнутый треугольник» измерительного ТН, подключенного к шинам распределительного устройства ПС. Такое подключение требует наличия на секции шин выделенной ячейки для отдельного ТН, что не всегда возможно обеспечить.

Третий вариант разработанного и технически реализованного устройства основан на наложении через типовой однофазный ТН токов двух частот 25 Гц и 75 Гц. В этом варианте источник контрольного тока включается во вторичную обмотку однофазного измерительного ТН, аналогично тому, как показано на рис. 2. Практически наложение токов двух частот обеспечивается тем, что источник формирует импульсы специальной формы, следующие с частотой 25 Гц и поэтому содержит в своем составе третью гармонику с частотой 75 Гц. Для формирования сигнала о расстройке компенсации к устройству подключатся цепи от «разомкнутого треугольника» группы измерительных ТН секции шин.

Основные способы размещения однофазного ТН для наложения токов, располагаемого вблизи ДГР, приведены на рис. 3.

Устройство, основанное на рассматриваемом способе, некритично к любой конфигурации сети и к любому расположению дугогасящих реакторов по ПС и сохраняет работоспособность в сетях с большой естественной несимметрией и пониженным уровнем добротности контура нулевой последовательности.

Влияние активной проводимости изоляции сети на величину абсолютной погрешности при фактически точной настройке приведена на рис. 4. Влияние активной проводимости проявляется как недокомпенсация. При типичном значении d=0,05 абсолютная погрешность от влияния активных проводимостей фаз составляет 0,00124. В настоящее время находит применение режим комбинированного заземления нейтрали, который заключается в том, что параллельно к ДГР подключается резистор с активной проводимостью равной 0,15−0,20 от емкостной проводимости фаз сети относительно земли. Коэффициент демпфирования d при этом составляет порядка 0,2. Даже при таком значении абсолютная погрешность измерения расстройки компенсации не превышает 0,02. Такие значения погрешности измерения не являются препятствием для практической реализации предлагаемого способа измерения расстройки компенсации, так как погрешность может быть скомпенсирована в программной части измерительного органа в зависимости от фактической величины коэффициента демпфирования сети.

Для всех методов разработаны алгоритмы обработки сигналов, создаваемых токами непромышленной частоты, при которых величина, характеризующая расстройку компенсации, не зависит от абсолютного значения суммарного емкостного тока сети, напряжения естественной несимметрии и сохраняется ее правильное измерение при максимально возможных на практике значениях расстройки компенсации.

Предложенные методы технически реализованы, испытаны в лабораторных условиях на специальной физической модели и с использованием программно-технического комплекса RTDS в различных режимах. Устройства систем автоматики ДГР, основанные на предложенных методах, в настоящее время внедрены на ряде объектов.

Основные технические характеристики системы измерения расстройки компенсации и автоматического управления настройкой ДГР приведены в табл. 1, а на рис. 5 дана схема подключения.

Выводы

1. Использование методов наложения на сеть тока непромышленной частоты позволяет полноценно решить задачу измерения степени расстройки компенсации и автоматической настройки дугогасящих реакторов.
2. Устройства, основанные на наложении токов непромышленной частоты:
   1. не подвержены влиянию напряжения естественной несимметрии сети и поэтому работоспособны в распределительных сетях с протяженными участкамивоздушных линий;
   2. сохраняют работоспособность в компенсированных сетях с пониженным уровнем добротности контура нулевой последовательности, например, в сетях скомбинированным заземлением нейтрали;
   3. не подвержены влиянию состава и характера нагрузки, в том числе, являющейся источником высших гармоник (металлургия, сварка и т. п.).

Литература:

1. Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной и с компенсацией емкостных токов. — М.: Энергия, 1971. — 152 с.
2. Вильгейм Р., Уотерс М. Заземление нейтрали в высоковольтных системах. — М.: Госэнергоиздат, 1959. — 415 с.
3. Стандарт организации «Технические требования к микропроцессорным устройствам РЗА» СТО 56947007−29.120.70.241−2017 с изменениями от 11.12. 2019 г.
4. Правила технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации. Утверждены Приказом Министерства энергетики Российской Федерации № 229 от 19.06.2003 г.
5. Техника высоких напряжений / под ред. Д.В. Разевига. — М.: Энергия, 1976.
6. Гумин М.И. Автоматизация компенсации емкостных токов замыкания на землю в электрических сетях: Обзорная информация. — М.: Информэнерго, 1988. — 48 с.
7. Непрерывный контроль степени расстройки компенсации и автоматическая настройка дугогасящих реакторов в электрических сетях 6−10 кВ на основе наложения тока с частотой 25 Гц / Вайнштейн Р.А., Березницкий С.Л., Юдин С.М., Шестакова В.В. // Известия вузов. Электромеханика. — 2004. — № 4. — С. 54−59.
8. Вайнштейн Р.А., Головко С.И., Григорьев В.С. и др. Защита от замыканий на землю в компенсированных сетях 6−10 кВ // Электрические станции. — 1998. — № 7. — С. 26−30.
9. Вайнштейн Р.А., Гетманов В.Т., Шмойлов А.В. и др. Стопроцентная защита отзамыканий на землю обмотки статора гидрогенераторов Красноярской ГЭС //Электрические станции. — 1972. — № 2. — С. 41−43.
10. Вайнштейн Р.А., Бобрин В.Д., Волков Г. А. Опыт эксплуатации и модернизациизащиты от замыканий на землю в обмотке статора гидрогенераторов Красноярской ГЭС // Электрические станции. — 1992. — № 9. — С. 12−15.
11. Задачи автоматического управления режимом компенсации тока замыкания на землю / Ширковец А.И., Валов В.Н., Петров М.И. // Релейная защита и автоматизация. — 2015. — № 2 (19). — С. 32−38.
12. Голован А.Т., Электропривод. Теоретические основы. — М.: Энергетическоеиздательство, 1948. — 419 с.
13. Вайнштейн Р.А., Доронин А.В., Наумов А.М., Юдин С.М. Защита от замыканийна землю в обмотке статора генераторов в схеме блоков с реактированной отпайкой // Известия вузов. Сер. Электромеханика. — 2011. — № 6. — С. 96−101.
14. Цифровые защиты генераторов, трансформаторов и блоков генератортрансформатор электростанций. Техническое описание. ЭКРА.656116.360 ТО.2018.

_{РЕЛЕЙНАЯ ЗАЩИТА И АВТОМАТИЗАЦИЯ, № 3 (Сентябрь, 2021)}