способ подавления дуговых замыканий на земле в обмотках нагрузки и питающих трансформаторов трехфазной сети с незаземленной нейтралью (варианты)

Формула изобретения

1. Способ подавления дуговых замыканий на землю в обмотках нагрузки и питающих трансформаторов трехфазной сети с незаземленной нейтралью, включающий измерение мгновенных значений фазных напряжений сети и напряжения смещения нейтрали, распознавание дугового замыкания на земле и компенсацию тока однофазного замыкания на землю, отличающийся тем, что после распознавания дугового замыкания на землю определяют значение амплитуды и фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, после чего осуществляют компенсацию тока однофазного замыкания на землю, для чего поддерживают амплитуду и фазу напряжения смещения нейтрали равными амплитуде и фазе ЭДС.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения амплитуды и фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, выявляют дуговые пробои в месте замыкания на землю и в момент первого пробоя фиксируют мгновенную фазу и мгновенное значение напряжения смещения нейтрали и, если выявлен только один пробой, амплитуду ЭДС принимают равной абсолютному значению мгновенного значения амплитуды напряжения смещения нейтрали, а фазу ЭДС принимают равной значению мгновенной фазы напряжения смещения нейтрали, взятой с противоположным знаком при положительном значении мгновенной фазы, а при отрицательном значении увеличивают значение фазы ЭДС на , если выявлено более одного пробоя, то в момент каждого пробоя фиксируют мгновенную фазу и мгновенное значение напряжения смещения нейтрали и определяют амплитуду и фазу ЭДС для каждого пробоя по формулам: для w(t_t-1- t), не кратной





где l(t_t) мгновенное значение напряжения смещения нейтрали;

E₀(t) амплитуда ЭДС, соответствующая выявленному пробою;

_t фаза ЭДС, соответствующая выявленному пробою;

круговая частота сети;

wt мгновенная фаза напряжения смещения нейтрали;

t момент времени: момент t_t-1 предшествует моменту t_t,

затем находят значения амплитуды и фазы ЭДС как среднее значение между значениями амплитуды и фазы ЭДС для одного пробоя и значениями амплитуд и фаз ЭДС для всех выявленных последующих пробоев, после чего полученные значения амплитуды и фазы ЭДС корректируют, для чего относят место однофазного замыкания к обмотке, включенной на одно из фазных или линейных напряжений сети или же к одному из фазных проводников сети, для этого определяют ту фазу сети, для которой абсолютная величина отклонения значения фазы ЭДС от значения фазы фазной ЭДС не превышает /3, а затем, если выполняется условие



где корректируемое значение амплитуды ЭДС;

E_m амплитуды фазной ЭДС сети;

абсолютная величина отклонения значения фазы ЭДС,

то скорректированное значение амплитуды ЭДС принимают равным амплитуде фазной ЭДС сети, а скорректированную величину фазы ЭДС принимают равной фазе фазной ЭДС сети, если заданное условие не выполняется, то проверяют выполнение другого условия



а при выполнении этого условия скорректированное значение амплитуды ЭДС определяют по формуле



а скорректированную величину фазы ЭДС принимают равной фазе фазной ЭДС, если другое условие не выполняется, то скорректированные значение амплитуды и фазы ЭДС определяют по следующим формулам:





где _i значение фазы фазной ЭДС.

3. Способ подавления дуговых замыканий на земле в обмотках нагрузки и питающих трансформаторов трехфазной сети с незаземленной нейтралью, включающий измерение мгновенных значений фазных напряжений сети и напряжения смещения нейтрали, распознавание дугового замыкания на землю и компенсацию тока однофазного замыкания на землю, отличающийся тем, что после распознавания дугового замыкания на землю определяют значение амплитуды и фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, и компенсируют ток однофазного замыкания на землю, для чего для компенсации активной составляющей точки однофазного замыкания на землю используют ток искусственной несимметрии, фазу которого устанавливают в соответствии со значением фазы ЭДС, а о компенсации активной составляющей тока однофазного замыкания судят по величине отклонения произведения амплитуды ЭДС на секанс разности фаз ЭДС и тока искусственной несимметрии от значения произведения амплитуды напряжения смещения нейтрали на секанс разности фаз напряжения смещения нейтрали и тока искусственной несимметрии, при этом о компенсации емкостной составляющей тока однофазного замыкания на землю судят по величине проекции вектора ЭДС на вектор, ортогональный вектору напряжения смещения нейтрали.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину проекции вектора ЭДС на вектор, ортогональный вектору напряжения смещения нейтрали, определяют синхронным детектированием сигнала ЭДС опорным сигналом постоянной амплитуды, ортогональным напряжению смещения нейтрали.

5. Способ по п.3, отличающийся тем, что величину проекции вектора ЭДС на вектор, ортогональный вектору напряжения смещения нейтрали, вычисляют по формуле



где U_r проекция вектора ЭДС на вектор, ортогональный вектору напряжения смещения нейтрали;

E₀ амплитуда ЭДС;

фаза ЭДС;

v фаза напряжения смещения нейтрали.

Описание изобретения к патенту

Способ относится к электроэнергетике и может использоваться в трехфазных высоковольтных сетях с резонансным заземлением нейтрали, главным образом, в сетях с большим количеством трансформаторных и двигательных нагрузок.

Известен способ подавления дуговых однофазных замыканий на землю (ОЗНЗ) [1] заключающийся в измерении фазных напряжений и напряжения смещения нейтрали, распознавании ОЗНЗ, распознавании поврежденной фазы, компенсации реактивной составляющей тока однофазного замыкания при помощи дугогасящего реактора и управлении компенсацией емкостной составляющей (КЕС) по проекции вектора напряжения поврежденной фазы на вектор, ортогональный вектору напряжения смещения нейтрали.

Недостатком способа является невозможность полного подавления дуговых ОЗНЗ, так как он не предусматривает компенсации активной составляющей тока ОЗНЗ.

Известен способ [2] подавления дуговых ОЗНЗ, заключающийся в распознавании режима ОЗНЗ, распознавании поврежденной фазы и искусственном замыкании (шунтировании) поврежденной фазы на землю.

Другой способ [3] использует вместо шунтирования включение между нейтралью сети и землей источника с ЭДС, равной ЭДС поврежденной фазы. Оба эти способа приводят к коротким замыканием в том случае, если замыкание на землю (ЗНЗ) возникло не в фазном проводнике сети, а в обмотке двигателя или трансформатора (питающего или нагрузки), и этим лишь усугубляют аварию, если напряжение на дуговом промежутке больше напряжения U_об обрыва дуги.

Наиболее близким к предлагаемому является способ подавления дуговых замыканий между фазами сети и землей [4] Данный способ состоит в измерении мгновенных значений фазных напряжений сети и напряжения смещения нейтрали, распознавании дугового ОЗНЗ и поврежденной фазы, компенсации емкостной составляющей (посредством трансформатора Бауха, в котором реактор цепи разомкнутого треугольника вторичных обмоток коммутируется тиристорным ключом) и активной составляющей (посредством дополнительного дросселя, коммутируемого другим тиристорным ключом и подсоединяемого параллельно одной из фазных вторичных обмоток упомянутого трансформатора Бауха) и управлении компенсацией указанных составляющих по проекциям вектора напряжения смещения нейтрали на вектор ЭДС поврежденной фазы (для активной составляющей) и на ортогональный ему вектор ЭДС между неповрежденными фазами (для емкостной составляющей). Способ-прототип способен полностью подавлять дуговые процессы при замыканиях между фазными проводниками сети и землей (то есть ОЗНЗ). Он не приводит к коротким замыканиям в тех случаях, когда ЗНЗ произошло в обмотках нагрузки или питающих сеть трансформаторов.

Однако данный способ малоэффективен при упомянутых выше видах ЗНЗ. Причиной недостатка является то обстоятельство, что напряжение на дуговом промежутке в указанном случае определяется не разностью напряжения смещения нейтрали и фазной ЭДС сети (как в случае ОЗНЗ в фазном проводнике), а разностью напряжения смещения нейтрали и ЭДС, действующей между точкой ЗНЗ в обмотке и нейтралью сети. Указанная разность, если точка ЗНЗ сколько-нибудь существенно удалена от фазного вывода поврежденной обмотки, значительно отличается (по амплитуде, а если обмотка включена на линейное напряжение сети также и по фазе) от фазной ЭДС сети. В то же время способ-прототип минимизирует именно фазное напряжение (на той из фаз, которая считается поврежденной) и поэтому может довести напряжение на дуговом промежутке в поврежденной обмотке до значительной величины, при которой самоустранение дугового процесса может оказаться невозможным. Если же диэлектрическая прочность изоляции после первого пробоя в обмотке успела восстановиться благодаря защитным свойствам резонансного заземления нейтрали, что введение компенсации активной составляющей (КАС) способом-прототипом приведет к возрастанию напряжения между местом повреждения и землей, что может вызвать новые дуговые пробои.

Цель изобретения подавление дуговых ЗНЗ, произошедших в обмотках двигателей или трансформаторов нагрузки или питающих сеть трансформаторов, независимо от способа их соединения (звезда или треугольник) и от расположения точки ЗНЗ в поврежденной обмотке.

Цель достигается тем, что в способе, включающем в себя измерение мгновенных значений фазных напряжений сети и напряжения смещения нейтрали, распознавание дугового замыкания на землю, компенсацию емкостной и активной составляющих тока однофазного замыкания на землю и автоматическое управление указанной компенсацией, дополнительно определяют значения амплитуды и фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, и осуществляют автоматическое управление компенсацией емкостной и активной составляющих таким образом, чтобы амплитуда и фаза напряжения смещения нейтрали поддерживались равными упомянутым выше амплитуде и фазе ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети.

Кроме того, для определения амплитуды Е_o и фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, выявляют дуговые пробои в месте замыкания на землю, фиксируют мгновенную фазу wt для момента первого дугового пробоя и мгновенное значение е(t₁) напряжения смещения нейтрали в этот момент и далее считают амплитуду Е_o упомянутой ЭДС равной абсолютной величине напряжения смещения нейтрали в момент t₁ первого дугового пробоя, а фазу этой ЭДС равной мгновенной фазе wt₁ момента первого дугового пробоя, взятой с противоположным знаком; если же мгновенное значение е(t₁) напряжения смещения нейтрали в момент первого дугового пробоя было отрицательным, то значение фазы увеличивают на p..

Кроме того, для определения амплитуды Е_o и фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, выявляют дуговые пробои в месте замыкания на землю, для каждого из них фиксируют и запоминают мгновенную фазу wt_i и мгновенное значение е(t₁) напряжения смещения нейтрали в момент t_i пробоя, и если выявлен только один (первый) пробой, то выполняют действия по п.2 формулы изобретения, то есть величины Е_i и определяют по следующим формулам:



а если выявлено более одного дугового пробоя, то величины E_i и определяют по следующим формулам:





где круговая частота сети, а момент t_i-1 предшествует моменту t_i,

в том случае, если величина w(t_i-1-t_i) не кратна ; в противном случае величины амплитуды Е_o и фазы b ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, считают неопределенными.

Кроме того, значения амплитуды и фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, в том случае, если зафиксирован один дуговой пробой, определяют согласно (1) (то есть, согласно п.2 формулы изобретения), а в том случае, если зафиксировано более одного дугового пробоя как средние значения соответствующих величин, полученных согласно (1) (то есть, согласно п.2 формулы изобретения) для первого дугового пробоя и согласно (2), (3) (то есть, согласно п.3 формулы изобретения) для каждого последующего дугового пробоя.

Кроме того, значения амплитуды и фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, полученные описанным выше способом (то есть, полученные согласно пп. 2-4 формулы изобретения), корректируют, относя место однофазного замыкания к обмотке, включенной на одно из фазных или линейных напряжений сети или же к одному из фазных проводников сети, для чего сначала определяют ту фазу (А, В или С) сети, для которой абсолютная величина отклонения значения фазы b ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, от значения a_i фазы фазной ЭДС не превышает /3; а затем, если удовлетворяется условие



где E"_o корректируемое значение амплитуды ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети;

E_m амплитуда фазной ЭДС сети,

то скорректированную величину Е_o амплитуды ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, полагают равной амплитуде Е_m фазной ЭДС, а скорректированную величину фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, считают равной фазе a_i упомянутой фазной ЭДС; в противном случае, т.е. если вышеуказанное условие не удовлетворяется, то проверяют выполнение дpугого условия:



и в том случае, если данное условие выполняется, то скорректированную величину E_o амплитуды ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, определяют по формуле:



а скорректированную величину фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, считают равной фазе a_i упомянутой фазной ЭДС; в противном же случае скорректированные величины E_o амплитуды и фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, определяют по следующим формулам:



Кроме того, для компенсации активной составляющей, осуществляемой при помощи тока искусственной несимметрии, фазу упомянутого тока устанавливают в соответствии со значением фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети.

Кроме того, компенсацией емкостной составляющей управляют по отклонению фазы напряжения смещения нейтрали от фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети.

Кроме того, компенсацией емкостной составляющей управляют по проекции вектора ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, на вектор, ортогональный напряжению смещения нейтрали.

Кроме того, в каждый момент времени определяют знак напряжения смещения нейтрали и управляют компенсацией емкостной составляющей по результату синхронного детектирования упомянутого знака опорным сигналом, ортогональным ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети.

Кроме того, для выполнения операции синхронного детектирования знака напряжения нейтрали опорным сигналом, ортогональным ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, фиксируют мгновенные фазы моментов изменения знака напряжения смещения нейтрали и далее, в течение каждого периода опорного сигнала суммируют произведения косинусов разностей упомянутых мгновенных фаз моментов изменения знака напряжения смещения нейтрали и фазы ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, на знаки напряжения смещения нейтрали, имеющие место сразу после момента изменения данного знака.

Кроме того, компенсацией активной составляющей управляют по отклонению амплитуды напряжения смещения нейтрали от амплитуды ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети.

Кроме того, компенсацией активной составляющей управляют по отклонению произведения амплитуды ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, на секанс разности фаз вышеупомянутой ЭДС, действующей между точкой замыкания на землю и нейтралью сети, и тока искусственной несимметрии, от произведения амплитуды напряжения смещения нейтрали на секанс разности фаз напряжения смещения нейтрали и тока искусственной несимметрии.

На фиг. 1 показаны векторные диаграммы; на фиг.2 укрупненная блок-схема предлагаемого устройства; на фиг. 3 коррекция параметров Е_o и ЭДС, действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, путем отнесения ее к одной из обмоток, включенных на фазное или линейное напряжение сети; на фиг.4 схема формирования управлений по компенсации емкостной составляющей (КЕС) и активной составляющей; на фиг.5 и 6 два варианта примеров выполнения дугогасящего аппарата (ДГА) и компенсатора активной составляющей КАС (позиции 21 и 22 на фиг. 2); на фиг.7 функциональная схема примера реализации блока (БУК) управления компенсацией (позиция 23 на фиг.2).

На фиг. 1 показаны: 1,2,3 векторы соответственно фазных ЭДС Е_A(t), E_B(t), E_C(t) фаз А, В и С сети; 4, 5, 6 векторы соответственно линейных, ЭДС E_AB(t), E_BC(t), E_CA(t); 7 вектор ЭДС Е(t), действующей между нейтралью N сети и точкой G замыкания на землю (ЗНЗ). Предполагается, что ЗНЗ произошло в секции обмотки нагрузки (соединенной в треугольник), включенной между фазами А и С сети. Кроме того, на фиг.1 обозначено: 8 пример вектора напряжения e(t) смещения нейтрали, 9 пример вектора напряжения U(t) между точкой G замыкания в нагрузке и землей О; 10, 11, 12 годографы векторов напряжения е(t) смещения нейтрали при постоянной величине КАС, соответствующей полной компенсации токов ОЗНЗ в одной из фаз и при изменении величины КЕС для тех случаев, когда КАС вводится по аналогии с [4] и подготовлена к работе при ОЗНЗ, соответственно, в фазах А, В или С; 13, 14, 15 точки, разделяющие режимы КАС, осуществляемой по аналогии с [4] (под режимами подразумеваются фазы тока искусственной несимметрии); 16 пример вектора 17 годограф вектора 16 в случае реализации КАС при помощи отрицательного сопротивления в нейтрали сети при точной настройке КАС и расстройке КЕС.

На фиг. 2 показаны: трехфазная сеть с фазными ЭДС E_A(t), E_B(t), E_C(t) и суммарной емкостью на землю С С_A + C_B + C_C; нагрузка (трансформатор или двигатель) с обмотками 18, 19, 20, соединенными, например, в треугольник, и имеющая ЗНЗ в точке G обмотки 20; дугогасящий аппарат 21 (ДГА), который представляет собой, например, сочетание присоединительного трансформатора и дугогасящего реактора или же трансформатор Бауха с тиристорным ключом, соединенным последовательно с реактором во вторичной цепи (по аналогии с [5] или [6] ). Далее на фиг.2 обозначены: компенсатор 22 активной составляющей КАС, который представляет собой, например, однофазный зависимый инвертор, включенный последовательно с дугогасящим реактором [6] и играющий роль отрицательного сопротивления в нейтрали сети, или же дополнительный дроссель, соединенный последовательно с тиристорным ключом и подсоединяемый посредством коммутационных аппаратов параллельно одной из фазных вторичных обмоток трансформатора Бауха [4] а также блок 23 управления компенсацией (БУК), связанный с сетью через трехфазный измерительный трансформатор напряжений 24. На фиг. 3 показаны: 25-27 векторы фазных ЭДС E_A(t), E_B(t), E_C(t); 28, 29, 30 векторы линейных ЭДС E_AB(t), E_BC(t), E_CA(t); 31-42 линии раздела зон отнесения ЗНЗ либо к одному из фазных проводников сети, либо к обмотке нагрузки или питающего сеть трансформатора, включенной на одно из фазных или на одно из линейных напряжений; 43 и 44 примеры нескорректированного и скорректированного векторов ЭДС Е(t), действующей между нейтралью сети и точкой ЗНЗ в обмотке, включенной на линейное напряжение; 45 и 46 аналогичные примеры при ЗНЗ в обмотке, включенной на фазное напряжение.

На фиг.4 показаны: 47-49 фазные ЭДС, соответственно, фаз А, В и С; 50 - вектор тока q(t) искусственной несимметрии для случая КАС при помощи включения регулируемой индуктивности параллельно обмотке фазы С трансформатора Бауха; 51-53 годографы вектора напряжения смещения нейтрали при изменении величины КЕС в условиях постоянной (соответственно) недокомпенсации, точной компенсации и перекомпенсации активной составляющей для случая, когда вектор ЭДС, действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, занимает положение 54; 55-57 векторы напряжения е(t) смещения нейтрали при постоянной перекомпенсации емкостной составляющей и (соответственно) недокомпенсации, точной компенсации и перекомпенсации активной составляющей; 58 вектор , ортогональный векторам 55-57; 59 проекция вектора 54 на вектор 58 ; 60 вектор напряжения е(t) смещения нейтрали при недокомпенсации емкостной составляющей и точной компенсации активной составляющей; 61 вектор , ортогональный вектору 60; 62 проекция вектора 54 на вектор 61 .

На фиг. 5 и 6 обозначены: 63 трансформатор Бауха с реактором 64 в цепи разомкнутого треугольника вторичных обмоток 65-67; тиристорный ключ ТК1 68 с датчиком ДЗ1 69 запирания его тиристоров, включенный последовательно с реактором 64; дополнительный дроссель 70; тиристорный ключ ТК2 71 с датчиком ДЗ2 72 запирания его тиристоров, включенный последовательно с дополнительным дросселем 70 и подсоединенный к коммутационному устройству 73. Данное коммутационное устройство 73 на фиг.5 по сигналу "р" "режим" блока БУК (позиция 23 на фиг.2) подключает цепь из элементов 70-72 параллельно одной из фазных вторичных обмоток 65-67 трансформатора Бауха 63 в зависимости от требуемой фазы тока искусственной несимметрии. Аналогичный по назначению коммутационный элемент 73 на фиг.6 по сигналу "р" "режим" блока БУК подключает цепь из элементов 70-72 к одному из линейных (низковольтных,до 1140 В) напряжений питания, приложенных между точками A", B", C" (фиг.6), синфазных с линейными напряжениями первичной цепи, приложенными между точками А, В, С. Точки А, В и С на фиг.5 и 6 подключены к фазам А, В и С сети (фиг.2). Элементы 63, 68, 69 на фиг. 5 и 6 образуют дугогасящий аппарат ДГА (позиция 21 на фиг.2), а элементы 70-73 компенсатор активной составляющей КАС (позиция 22 на фиг.2).

На фиг.7 показаны: 74 процессор с постоянным и оперативным запоминающими устройствами ПРЗУ; 75 шина данных, адресов и сигналов управления; 76-78 программируемые таймеры Т1, Т2, Т3 со счетными входами "с" и запускающими входами "Е"; 79 контроллер прерываний КП; 80 входной (принимающий информацию) порт; 81 выходной (выводящий информацию) порт; 82 - нуль-компаратор сигнала линейного напряжения сети; 83, 84 формирователи импульсов (Ф1 и Ф2), исключающие дребезг, соответственно, спода и фронта выходного сигнала компаратора 82; 85 датчик дуговых пробоев; 86 смещенный компаратор (с величиной смещения, соответствующей, например, 20% амплитуды фазной ЭДС сети). На фиг.7 показана также схема 87 преобразования во временной интервал мгновенного значения напряжения e(t₀+) смещения нейтрали в момент времени t₀+ (где t_o момент скачкообразного изменения напряжения смещения нейтрали, например, вследствие дугового пробоя в месте ЗНЗ, а - малая величина). Схема 87 состоит из интегратора, образованного операционным усилителем 88 и конденсатором 89, аналогового коммутатора 90, резисторов 91 и 92, превращающих интегратор в инерционное звено с малой постоянной времени (при положении коммутатора 90, противоположном показанному на фиг.7), резистора 93 цепи преобразования начальные условия интегратора временной интервал и релейного звена 94 с небольшим (порядка 10-30 мВ) гистерезисом. Кроме того, на фиг.7 показан логический элемент 95 "НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ", нуль-компаратор 96 напряжения смещения нейтрали и формирователи 97 и 98 импульсов (ФИ), подающие, соответственно, на входы Ir7 и Ir4 контроллера 79 прерываний короткие импульсы при каждом изменении сигнала, соответственно, на выходах компараторов 96 и 86.

Способ осуществляют следующим образом.

При возникновении (в фазном проводнике сети, в обмотке нагрузки или в обмотке питающего сеть трансформатора) дугового ЗНЗ (например, в обмотке 18 нагрузки, фиг. 2) во время существования между точкой G замыкания и землей ионизированного проводящего промежутка потенциал точки G становится близким к потенциалу земли вследствие малости падения напряжения на дуговом промежутке. Напряжение e(t) смещения нейтрали N в этот момент становится равным суммарной ЭДС E(t), действующей между точкой G ЗНЗ и нейтралью N сети (на фиг. 2 это, например, сумма фазной ЭДС E_A(t) и противоЭДС в обмотке 20 между точками А и G). После окончания вызванного дуговым пробоем перезаряда емкостей C_A, C_B, C_C ток в месте ЗНЗ, как правило, значительно снижается, и дуга обрывается. Далее, в контуре нулевой последовательности сети (КНПС) протекает колебательный переходный процесс с собственной частотой w_C контура при начальных условиях, соответствующих t_o погасания дуги, то есть е(t_o)=Е(t_o). Если выполняется условие резонансной настройки КНПС _C= , то напряжение е(t) смещения нейтрали компенсирует суммарную ЭДС E(t), действующую между точкой G ЗНЗ и нейтралью N сети, так что напряжение U(t) между точкой G и землей первоначально оказывается близким к нулю и медленно возрастает по мере затухания свободных колебаний в КНПС (если не осуществляется КАС). При достижении напряжением U(t) между точкой G и землей напряжения пробоя дугового промежутка (для чего потребуется, возможно, от нескольких периодов до нескольких десятков периодов частоты сети после первого дугового пробоя) происходит новый дуговой пробой, и процесс повторяется. Введя КАС в КНПС и таким образом возмещая потери энергии свободных колебаний, можно предотвратить их затухание [4, 6] Если при этом напряжение е(t) смещения нейтрали будет иметь частоту сети и поддерживаться равным по амплитуде и фазе ЭДС Е(t), действующей между точкой G ЗНЗ и нейтралью N сети, то первая гармоника напряжения U(t) между точкой G ЗНЗ и землей будет равна нулю и дуговой процесс в месте ЗНЗ прекратится.

Сказанное можно пояснить на векторной диаграмме (фиг.1). Замыканию в точке G обмотки нагрузки, соединенной в треугольник, соответствует вектор суммарной ЭДС E(t), действующей между точкой G ЗНЗ и нейтралью N сети. В случае, если обмотка с повреждением включена на линейное напряжение, конец этого вектора лежит на прямой, соединяющей точки С и А, А и В, В и С, если повреждение находится в обмотках СА, АВ или ВС соответственно (для фиг.1 это прямая СА). Если же указанная обмотка включена на фазное напряжение, то конец вектора лежит на прямой, соединяющей точку N с точками А, В или С на фиг. 2, в зависимости от того, в какой из фазных обмоток произошло повреждение. Вектор напряжения U(t) между точкой G замыкания в нагрузке и землей О (фиг.2), равный разности векторов и (напряжения е(t) смещения нейтрали), обращается в нуль только в том случае, если векторы и равны между собой, то есть, когда напряжение е(t) смещения нейтрали и ЭДС, действующая между точкой G ЗНЗ и нейтралью N сети, совпадают по амплитуде и фазе. Регулировать амплитуду и фазу напряжения e(t) смещения нейтрали возможно путем соответствующего управления КАС и КЕС.

Таким образом, для того, чтобы после возникновения дугового ЗНЗ сминимизировать, а затем неограниченно долгое время удерживать напряжение U(t) между точкой G повреждения и землей, близким к нулю, необходимо, распознав дуговое ЗНЗ, во-первых, определить амплитуду и фазу ЭДС Е(t) (которые зависят от схемы включения поврежденной обмотки и от местоположения ЗНЗ в обмотке) и, во-вторых, производить автоматическое управление КАС и КЕС таким образом, чтобы напряжение e(t) смещения нейтрали и ЭДС E(t), действующая между точкой G ЗНЗ и нейтралью N сети, совпадали по амплитуде и фазе.

Для решения первой задачи предлагается воспользоваться тем обстоятельством, что мгновенное значение напряжения е(t), спустя короткое время после дугового пробоя, становится практически равным мгновенному значению ЭДС Е(t) в этот же момент времени (благодаря малости падения напряжения на ионизированном дуговом промежутке). Зафиксировав это напряжение, а также тот момент времени t_o, когда произошел первый дуговой пробой, можно определить амплитуду Е_o и фазу ЭДС

E(t) = E₀cos(t+), (4)

действующей между точкой G ЗНЗ и нейтралью N сети, исходя из наиболее вероятного предположения о том, что пробой произошел на максимуме абсолютной величины ЭДС Е(t), который наступает при . Иными словами, для величины E_o и справедливы соотношения:



Из последнего уравнения находим:

= -t₀+0,5[1-sign e(t₀)],

считая, что мгновенная фаза t₀ приведена к отрезку [0,2].. Таким образом, для нахождения величин E_o и достаточно произвести действия, описанные в п.2 формулы изобретения.

Для распознавания факта возникновения дугового ЗНЗ и определения моментов дуговых пробоев можно воспользоваться одним из известных способов, например, фильтрацией напряжения смещения нейтрали (с целью удаления или ослабления составляющих на частотах, близких к промышленной) и сравнением результата фильтрации с некоторым заданным порогом [7]

Если с момента возникновения ЗНЗ зарегистрировано более одного дугового пробоя, то можно повысить достоверность определения параметров ЭДС Е(t), получая из этих пробоев дополнительную информацию и отказываясь от привлекавшегося в п.2 формулы изобретения предположения о том, что пробои происходят при экстремальных значениях Е(t). Для извлечения дополнительной информации о параметрах ЭДС Е(t) необходимо выполнить действия, описанные в п.3 формулы изобретения, смысл которых состоит в следующем. Если зафиксировать мгновенные фазы wt_i-1,t_i и мгновенные значения е(t_i-1), е(t_i) напряжения е(t) смещения нейтрали для двух дуговых пробоев, произошедших в моменты времени t_i-1, t₁ (t_i-1 предшествует t_i), то параметры Е_o и можно найти из следующей системы уравнений:



которая получена подстановкой величин t_i-1, t_i, е(t_i-1) и е(t_i) в (4). Данная система уравнений совместна в случае, если

sin(t_i-1-t_i) 0,

то есть, если величина (t_i-1-t_i) не кратна .. Ее решениями являются следующие выражения:





где - круговая частота сети.

Выражения (7), (8) совпадают с выражениями, приведенными в п.3 формулы изобретения. Заметим, что для реализации указанного пункта достаточно иметь значения t_i и е(t_i) только лишь для последнего (на данный момент времени) и предшествовавшего ему пробоев, и следовательно, достаточно зафиксировать и запомнить всего 4 величины: t_i-1,t_i, е(t_i-1) и е(t_i).

Если в течение ЗНЗ имела место серия из нескольких дуговых пробоев, то величины Е_o и можно определить неоднократно, выполнив действия п.3 формулы изобретения для каждой пары пробоев (например, для 1-го и 2-го, для 2-го и 3-го, для 3-го и 4-го и т.д.). В п.4 формулы изобретения предлагается использовать эту информацию с тем, чтобы повысить точность определения параметров Е(t) путем определения их значений, получаемых обработкой измерений, произведенных на каждом из дуговых пробоев.

При вычислении средних значений целесообразно привлекать также и величины Е_o и b, полученные после первого пробоя согласно п.2 формулы изобретения. Осреднение можно вести различными способами, из которых простейшими и достаточно эффективными являются определение среднего арифметического по всем произошедшим к данному моменту времени дуговым пробоям или определение скользящего среднего по некоторому заранее заданному числу дуговых пробоев.

Дополнительное повышение точности определения параметров указанной ЭДС достигается привлечением априорной информации о том, что конец вектора ЭДС Е(t) (фиг. 1) должен располагаться либо на одной из прямых АВ, ВС или СА, если ЗНЗ произошло в обмотке, включенной на линейное напряжение (то есть в одной из обмоток, соединенных в "треугольник"), либо на одной из прямых NA, NB или NC, если ЗНЗ произошло в обмотке, включенной на фазное напряжение (то есть в одной из обмоток, соединенных в "звезду", п.5 формулы изобретения). Данное требование объясняется тем обстоятельством, что ЭДС Е(t) всегда формируется суммированием одной из фазных ЭДС E_A(t), E_B(t), E_C(t), сети (фиг.2) и (возможно) противоЭДС в обмотке нагрузки. ПротивоЭДС в любой точке обмотки пропорциональна (и, следовательно, синфазна) одной из линейных ЭДС сети, если обмотки соединены в "треугольник". Если же обмотки соединены в "звезду", то противоЭДС пропорциональна (и поэтому синфазна) одной из фазных ЭДС сети (в наиболее распространенном случае симметричной нагрузки). Привлечение указанной априорной информации означает, что, получив (в результате выполнения п.п.1-4 формулы изобретения) величины Е_o и , характеризующие вектор , следует скорректировать данные величины, отнеся конец вектора к ближайшему из отрезков прямых AN, BN, CN, AB, BC или CA (фиг.1). Для этого необходимо: во-первых, определить упомянутую ближайшую прямую; а во-вторых, скорректировать положение вектора спроецировав на нее конец указанного вектора. Решение перечисленных задач иллюстрируется на фиг.3, на котором векторная диаграмма фазных и линейных ЭДС разбита отрезками 31-42 на зоны максимальной близости конца вектора ЭДС, параметры которой определены согласно п.п.1-4 формулы изобретения, к одному из перечисленных выше отрезков AN, BN, CN, AB, BC, CA. Так, положение нескорректированного вектора в позиции 43 на фиг.3 означает, что ближайшим к нему является отрезок СА, следовательно, ЗНЗ произошло, по-видимому, в обмотке, включенной на линейное напряжение между фазами С и А, и проецировать вектор следует на прямую СА. Положение же нескорректированного вектора в позиции 45 на фиг.3 означает, что ближайшим к нему является отрезок BN, и следовательно, ЗНЗ произошло в обмотке, включенной на фазное напряжение фазы В. В этом случае вектор необходимо проецировать на прямую BN.

Линии раздела 31-36 являются биссектрисами углов, соответственно, CAN, BAN, ABN, CBN, BCN и ACN, а линии раздела 37-39 являются биссектрисами углов, соответственно, CNA, ANB и BNC и поэтому образуют углы с векторами ближайших фазных ЭДС, равные, соответственно, 15 и 60^o. Линии 40-42 перпендикулярны векторам соответствующих фазных ЭДС. Если конец вектора попадает в один из незаштрихованных секторов, ограниченных на фиг.3 линиями 40, 41 или 42, то его невозможно спроецировать ни на один из отрезков АВ, ВС или СА, то есть ЗНЗ в этом случае невозможно отнести ни к одной из обмоток, соединенных в "треугольник". Наиболее вероятным в данном случае будет предположение о том, что ЗНЗ произошло в фазном проводнике сети (фазы А, В или С для секторов, ограниченных на фиг.3 линиями, соответственно, 40, 41 или 42), и следовательно, вектор должен совпадать с вектором соответствующей фазной ЭДС.

Рассмотрим подробнее действия, которые следует предпринять для распознавания ближайшего (к концу вектора ) из вышеперечисленных отрезков. В связи с симметричным расположением линий раздела на векторной диаграмме (фиг. 3) целесообразно определить сначала, в каком из трех равнозначных секторов MNP, PNK или KNM (разграничиваемых линиями раздела 37, 38 и 39) находится проецируемый вектор . Данным сектором, как видно из фиг.3, оказывается тот из них, в котором лежит вектор или (позиции 25, 26 и 27 на фиг. 3), для которого угол между вектором и вектором фазной ЭДС или не превышает (по абсолютной величине) 60^o (что равносильно условию определения фазы, сформированному в п.5 формулы изобретения). Так, например, если вектор занимает положение 43 (фиг.3), то его следует отнести к сектору MNP, в котором лежит вектор (25) фазной ЭДС фазы А, а если вектор занимает положение 45 (фиг.3), то его следует отнести к сектору PNK, в котором лежит вектор E_B (26) фазной ЭДС фазы В. В пределах каждого сектора положение вектора однозначно определяется углом между эти вектором и вектором соответствующей фазной ЭДС (или, что то же самое, отклонением значения фазы b ЭДС, действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, от значения фазы a_i соответствующей фазной ЭДС). Угол лежит в диапазоне [-60^o, 60^o] что существенно упрощает дальнейшие рассуждения.

Далее следует определить (в пределах выбранного сектора), в какую именно из зон максимальной близости конца вектора к одной из упомянутых прямых (AN, BN, CN, AB, BC или CA на фиг.3) следует отнести вектор (если это возможно) или же к какому из фазных проводников (А, В или С) следует отнести ОЗНЗ, если отнесение к упомянутым прямым на фиг.3 невозможно (то есть, если конец вектора попадает в один из незаштрихованных секторов, ограниченных на фиг.3 линиями 40, 41 или 42). Благодаря симметрии секторов MNP, PNK и KNM относительно векторов фазных ЭДС, соответственно, (25), (26) и (27), уравнения линий 40-42 и 31-36 (в полярной системе координат с полюсом в точке N) имеют следующий вид:



и



где радиус-вектор М и полярный угол полярные координаты точек линий раздела 31-36, 40-42. Поэтому, если удовлетворяются условия:





где амплитуда корректируемой ЭДС (t),

то вектор находится в зоне максимальной близости к отрезкам AN, BN или CN и, следовательно, ЗНЗ произошло в обмотке, включенной на фазное напряжение (то есть в одной из обмоток, соединенных в "звезду"). Если не выполняется условие (9) и выполняется условие (10), то вектор находится в зоне максимальной близости к отрезкам АВ, ВС или СА, причем конкретно зона определяется знаком угла : в cекторе MNP v > 0 означает зону СА, а < 0 зону АВ; в секторе PNK > 0 означает зону АВ, < 0 зону ВС; в секторе KNM > 0 означает зону ВС, < 0 зону СА (фиг.3). Таким образом, если не выполняется условие (9) и выполняется условие (10), то можно считать, что ЗНЗ произошло в обмотке, включенной на линейное напряжение (то есть в одной из обмоток, соединенных в "треугольник"). Если же не выполняется условие (10), то, как указывалось выше, ЗНЗ следует отнести к фазному проводнику А, В или С (в зависимости от выбранного сектора MNP, PNK или KNM соответственно).

В первом случае (когда условия (9) и (10) выполняются и, следовательно, ЗНЗ произошло в обмотке, включенной на фазное напряжение, параметры вектора корректируют, спроецировав данный вектор на вектор или соответствующего сектора. При этом скорректированную величину E_o амплитуды данной ЭДС определяют по формуле:



а скорректированную величину фазы данной ЭДС считают равной фазе a_i этой же фазной ЭДС, как и указано в п.5 формулы изобретения. Во втором случае (когда условие (9) не выполняется, а условие (10) выполняется и, следовательно, ЗНЗ произошло в обмотке, включенной на линейное напряжение, параметры вектора корректируют, спроецировав данный вектор на соответствующую прямую АВ, ВС или СА (фиг.3) соответствующего сектора. При этом, благодаря симметрии перечисленных прямых относительно векторов фазных ЭДС, выражение для скорректированной величиной Е_o амплитуды данной ЭДС не зависит от того, на какую именно прямую (из перечисленных выше) в данном секторе производится проецирование. Данное выражение имеет следующий вид:



Кроме того, в связи с упомянутой симметрией, выражения для скорректированной величины фазы ,, полученные для случаев проецирования на каждую из двух прямых АВ, ВС или СА, относящихся к данному сектору, совпадают с точностью до знака :



В третьем случае (когда условие (10) не выполняется и, следовательно, имеет место ОЗНЗ в фазе А, В или С) амплитуду Е_o и фазу следует принять равными амплитуде E_m и фазе a_i соответствующей фазной ЭДС сети, что и отражено в п.5 формулы изобретения.

Решение второй задачи (которая сводится к автоматическому управлению КАС и КЕС таким образом, чтобы напряжение е(t) смещения нейтрали совпадало по амплитуде и фазе с ЭДС Е(t), действующей между точкой G ЗНЗ и нейтралью сети (фиг. 2), параметры E_o и которой были определены в соответствии с вышеизложенным) определяется выбранным способом компенсации активной составляющей. Если для КАС используется введение в КНПС отрицательного сопротивления, например, в виде однофазного зависимого инвертора, включенного последовательно с дугогасящим реактором [6] или же в виде параметрической подкачки энергии в КНПС [8] то управление КЕС определяет частоту автоколебаний в КНПС, то есть на языке векторных диаграмм скорость вращения вектора (16 на фиг.1) по окружности 17 (фиг.1), а управление КАС радиус этой окружности. Очевидно, что каких-либо изменений режима КАС в зависимости от местоположения точки G ОЗЗ в данном случае не требуется, однако необходимо учитывать интегральный характер связи управления по КЕС с фазой е(t) (так как фаза напряжения е(t) является интегралом его частоты). Другим способом введения КАС, который можно использовать в составе предлагаемого изобретения, является введение в КНПС регулируемого по амплитуде тока естественной несимметрии, например, путем подключения регулируемой (углом отпирания тиристорного ключа) индуктивности параллельно одной из фазных вторичных обмоток трансформатора Бауха [4] то есть введением регулируемой индуктивности в одну из фаз сети. В этом случае регулирование КЕС приводит к перемещению вектора напряжения е(t) смещения нейтрали по одной из окружностей 10, 11 или 12 в зависимости от того, параллельно какой именно из вторичных обмоток трансформатора Бауха включена регулируемая индуктивность. Управление же КАС приводит к изменению диаметра соответствующей окружности 10, 11 или 12 (фиг.1). Очевидно, что при данном способе введения КАС местоположение точки G должно определять режим КАС в отношении выбора фазы вводимой искусственной несимметрии, так как диапазон фазовых сдвигов, привносимых КНПС в фазу напряжения е(t) смещения нейтрали при различных расстройствах КЕС, здесь принципиально ограничен интервалом (-90^o, 90^o) (п.2 формулы изобретения).

Если условно ограничить КАС величиной, необходимой для точной компенсации токов ОЗНЗ в данной сети, и предположить, что регулируемая индуктивность включена параллельно вторичной обмотке фазы С трансформатора Бауха, то регулированием КАС и КЕС можно добиться того, что конец вектора 8 напряжения е(t) смещения нейтрали (фиг.1) будет располагаться практически в любой точке круга, ограниченного окружностью 10, проходящей через начало N координат. Центр О этого круга лежит на пересечении вектора тока искусственной несимметрии (который отстает на 90^o от фазной ЭДС фазы С) с отрезком 6 СА, изображающим вектор линейного напряжения E_CA. Если предположить теперь, что регулируемая индуктивность включена параллельно вторичной обмотке фазы В трансформатора Бауха, то вектор будет располагаться в круге, ограниченном окружностью 12 на фиг.1. Исходя из сказанного и приписав (условно) нулевое значение фазы линейной ЭДС E_BC(t) (на фиг.1 ей соответствует вектор 5), приходим к выводу, что для значений фазы ЭДС E(t), действующей между точкой G ЗНЗ и нейтралью N сети, лежащих в интервале (0^o, 120^o) (окружность 12 на фиг. 1), необходимо включать регулируемую индуктивность параллельно вторичной обмотке фазы В трансформатора Бауха для значений фазы b, лежащих в интервале (120^o, 240^o) (окружность 11 на фиг.1), необходимо включать регулируемую индуктивность параллельно вторичной обмотке фазы А трансформатора Бауха, а для значений фазы , лежащих в интервале (240^o, 360^o (окружность 10 на фиг.1), необходимой включать регулируемую индуктивность параллельно вторичной обмотке фазы С указанного трансформатора. Из того факта, что отрезки NA, BN, CN, AB, DC и CA, на которых может располагаться конец вектора при всевозможных локализациях ЗНЗ в обмотках, целиком находятся в кругах, ограниченных окружностями 10, 11 и 12 (фиг.1), следует также, что для подавления ЗНЗ в любой точке обмоток нагрузок и питающих сеть трансформаторов требуется величина КАС, не превышающая той ее величины, которая необходима для подавления дуговых замыканий между фазными проводниками сети и землей. Поэтому для реализации заявляемого способа можно использовать исполнительные органы компенсаторов активной составляющей, реализующих известные способы [4] [6]

Рассмотрим далее предлагаемые способы автоматической настройки КАС и КЕС при подавлении дуговых процессов в обмотках нагрузки и питающих сеть трансформаторов. Каждый из указанных способов в качестве необходимого свойства должен обеспечить соответствие знака управления по регулируемой (емкостной или активной) составляющей компенсации знаку расстройки сети по этой составляющей в условиях точной настройки по другой (соответственно, активной или емкостной) составляющей, и нулевые значения управлений по обеим составляющим в условиях полной компенсации токов ЗНЗ. Желательна также (для улучшения динамических характеристик процессов автонастройки) взаимная независимость управлений, то есть чтобы управление по емкостной составляющей не зависело от расстройки по активной составляющей и наоборот.

При использовании для КАС отрицательного сопротивления в КНПС (согласно [6] ) перечисленные требования соблюдаются в том случае, если управление по КЕС формируется пропорциональным отклонению фазы v напряжения е(t) смещения нейтрали от фазы b ЭДС E(t), действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети. Указанная фаза b определяется согласно п.п.1-5 формулы изобретения. Управление по КАС формируется в этом случае пропорциональным отклонению амплитуды е_o напряжения е(t) смещения нейтрали от амплитуды Е_o вышеупомянутой ЭДС (что отражено в п.11 формулы изобретения). Данное обстоятельство связано с тем, что при использовании в качестве компенсатора активной составляющей однофазного зависимого инвертора [6] амплитуда и фаза напряжения смещения нейтрали являются параметрами автоколебаний в КНПС (на его собственной частоте), причем амплитуда этих автоколебаний практически полностью определяется (помимо параметров сети) величиной КАС, а частоту (связанную с фазой интегральной зависимостью) определяет величина КЕС.

В другом случае, а именно, когда КАС осуществляется путем введения в КНПС тока искусственной несимметрии, например, при помощи регулируемой индуктивности, подключаемой параллельно одной из фазных вторичных обмоток дугогасящего аппарата, выполненного в виде трансформатора Бауха [4] перечисленные свойства обеспечиваются в том случае, если управление по КЕС формируется пропорциональным проекции вектора ЭДС Е(t), действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, на вектор , ортогональный вектору напряжения е(t) смещения нейтрали (как это предлагается в п.8 формулы изобретения), а управление U по КАС определяется по формуле:

U~ E₀sec(-)-e₀sec(-), (11)

где Е_о и соответственно, амплитуда и фаза ЭДС Е(t), действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети;

е₀ и v соответственно, амплитуда и фаза напряжения е(t) смещения нейтрали;

n фаза тока q(t) искусственной несимметрии,

как это предлагается в п.12 формулы изобретения. Проекция ЭДС Е(t) на вектор , ортогональный вектору напряжения е(t) смещения нейтрали, определяется, например, при помощи синхронного детектирования сигнала Е(t) опорным сигналом постоянной амплитуды, ортогональным напряжению е(t) смещения нейтрали например, меандром промышленной частоты, сдвинутым на 90^o по отношению к сигналу е(t), или же вычисляется по известным амплитуде Е_o и фазе ЭДС Е(t), а также фазе v напряжения смещения нейтрали по формуле:



Поясним сказанное при помощи векторных диаграмм, показанных на фиг.4. Пусть в сети имеет место ЗНЗ в обмотке, подключенной к линейному напряжению СА, и вектор ЭДС Е(t), действующей между точкой G ЗНЗ и нейтралью N сети, занимает положение, показанное на фиг.4 в позиции 54. Поскольку угол между векторами 54 по абсолютной величине меньше 60^o, то в соответствии с вышеизложенным для осуществления КАС регулируемая индуктивность подключается параллельно вторичной обмотке фазы G трансформатора Бауха, создавая ток индуктивной несимметрии, вектор которого показан на фиг.4 в позиции 50. Годографы вектора напряжения смещения нейтрали при постоянной КАС и меняющейся КЕС представляют собой окружности 51-53, проходящие через начало координат, центры которых располагаются на векторе 50 . Увеличение КАС приводит к увеличению диаметра окружности, увеличение КЕС к перемещению вектора по часовой стрелке, причем постоянной расстройке по КЕС соответствует постоянный угол - между векторами (50). Как видно из фиг. 4, перекомпенсации по емкостной составляющей соответствует положительная проекция 59 U⁺_r вектора 54 на вектор 58 , ортогональный векторам 55-57 а недокомпенсации отрицательная проекция 62 U^-_r вектора 54 на вектор 61, ортогональный вектору 60 напряжения смещения нейтрали. При точной настройке КЕС вектор совпадает с вектором , и проекция последнего на вектор , ортогональный вектору будет равна 0. Из фиг.4 следует также, что проекция 59 U⁺_r не зависит от величины КАС, поскольку векторы 55-57 совпадают по направлению. Кроме того, зависимость проекции вектора на вектор , ортогональный вектору 60 , от расстройки КЕС носит монотонный характер. Таким образом, при формировании управления КЕС в соответствии с п.8 формулы изобретения соблюдаются все сформулированные выше требования.

Описанный в п.7 способ автонастройки КЕС требует информации о фазе напряжения смещения нейтрали, а описанный в п.8 способ требует дополнительной информации об амплитуде указанного напряжения. При значительных расстройках КЕС или при низкой диэлектрической прочности изоляции в месте повреждения, дуговые пробои могут следовать весьма часто (свыше одного пробоя на периоде). Напряжение смещения нейтрали имеет при этом форму, далекую от гармонической, и определить его амплитуду и фазу становится невозможно. В этих случаях автонастройку КЕС предлагается осуществлять согласно п.9 формулы изобретения, то есть по результату синхронного детектирования знака sign е(t) напряжения t(е) смещения нейтрали опорным сигналом E^*(t), ортогональным ЭДС Е(t), действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети. Результат U_r синхронного детектирования описывается формулой:



где черта вверху означает осреднение по времени на периоде опорного сигнала. При гармонической форме напряжения е(t) смещения нейтрали и точной настройке КЕС сигнал е(t) синфазен с ЭДС, действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети: = .. Подстановка выражения

e(t) = e₀cos(t+)

в (13) показывают, что при указанных условиях U_r 0. Из (13) следует также, что расстройка КЕС в ту или другую сторону приводит к появлению ненулевой величины U_r соответствующего знака. Таким образом выполняется сформулированное выше необходимое требование к управлению по КЕС. Для случая гармонического сигнала е(t) выполняются и другие требования к управлению по КЕС (монотонность и инвариантность к расстройке КАС). При наличии частых дуговых пробоев свойства управления (13) по КЕС сохраняются благодаря высокой помехоустойчивости операции синхронного детектирования. Помехоустойчивость в свою очередь объясняется гармонической формой опорного сигнала, которая обусловливает переход в колебательные составляющие и подавление фильтрацией всех компонентов спектра сигнала е(t) за исключением составляющих, близких к промышленной частоте (то есть частоте опорного сигнала).

Операцию синхронного детектирования при микропроцессорной реализации предлагаемого способа целесообразно выполнять в соответствии с п.10 формулы изобретения. Поясним сказанное. Выражение 10 можно переписать в следующем виде:



Если изменения знака напряжения Е(t) на периоде [,2+] опорного сигнала происходили при мгновенных фазах t₁,t₂,...t_N,, то (14) можно представить в следующем виде:



где некоторая малая величина, дающая возможность определить направление изменения знака е(t) в момент t_i (с "+" на "-" или наоборот). Действия, сформулированные в п. 10 формулы изобретения, как раз и приводят к получению управления по КЕС согласно выражению (15).

Поскольку диаметр окружности (51-53 на фиг.4), изображающей годограф вектора , пропорционален амплитуде тока (t) искусственной несимметрии, которая в свою очередь пропорциональна величине КАС, то перечисленные выше требования применительно к управлению КАС будет удовлетворены, если сформировать указанное управление пропорциональным отклонению диаметра годографа вектора от диаметра данного годографа при точной компенсации КАС (то есть от диаметра окружности 52). Диаметр D_o окружности 52 можно определить, воспользовавшись тем обстоятельством, что угол SGN (фиг.4) является прямым, как вписанный угол, опирающийся на диаметр, по следующей формуле:



Величины Е_o (амплитуда ЭДС Е(t), действующей между точкой G ЗНЗ и нейтралью N сети), (фаза данной ЭДС) и n (фаза тока q(t) искусственной несимметрии, вводимого в КНПС для КАС), фигурирующие в данном выражении, известны. Диаметр D годографа вектора (55-57) можно также выразить через амплитуду е_o и фазу напряжения е(t) смещения нейтрали (которые легко доступны для измерения), используя тот факт, что углы S₁Q₁N, S₂Q₂N, S₃Q₃N (фиг.4) прямые как вписанные углы, опирающиеся на диаметр. Выражение для данной величины имеет следующий вид:



Сопоставив (16) и (17), приходим к выводу, что выражение для управления U КАС

U~ D₀-D

совпадает с выражением (11), на основе которого построен п.8 формулы изобретения.

Вследствие того, что диаметр годографа вектора напряжения смещения нейтрали не зависит от конкретного местоположения вектора на нем, то сформированное подобным образом управление КАС не зависит от расстройки по КЕС. Оно имеет монотонный характер благодаря пропорциональности диаметра годографа вектора амплитуде тока (t) искусственной несимметрии. Таким образом, при формировании управления КАС в соответствии с п.12 формулы изобретения также соблюдаются все сформулированные выше требования.

Полученные сигналы U_r и U можно использовать для интегрального, пропорционально-интегрального или пропорционально-интегрально-дифференциального управления, соответственно, КЕС и КАС.

Рассмотрим далее действие предлагаемого способа на примере устройства, реализующего данный способ и изображенного на фиг.2 в предположении, что блоки 21 (ДГА), 22 (КАС) и 23 (БУК) выполнены в соответствии с фиг.5-7. При этом реализован случай, охватываемый пунктами 1-6, 9, 10, 12 формулы изобретения. Применение его наиболее целесообразно в сетях с небольшими емкостными токами ОЗНЗ, например, в сетях собственных нужд электростанций, в карьерных и сельских распределительных сетях. Компенсация емкостных токов ЗНЗ осуществляется здесь при помощи трансформатора 63 Бауха. Эквивалентная индуктивность, вносимая данным трансформатором в нейтраль сети (то есть величина КЕС), регулируется изменением выдержки t_r времени между моментом очередного запирания тиристорного ключа 68 ТК1 (которое обнаруживается при помощи датчика 69 ДЗ1 запирания тиристоров ключа 68) и выдачей на ключ 68 следующего отпирающего импульса ₁. Аналогичный способ КЕС предложен и подробно описан в [5] Компенсация активной составляющей тока ЗНЗ в рамках рассматриваемого примера может осуществляться либо так, как это показано на фиг.5, то есть по аналогии с [4] либо в соответствии с фиг.6.

В обоих случаях КАС производится при помощи введения в КНПС тока (t) искусственной несимметрии. Однако при реализации блока 22 КАС в соответствии с фиг.5 ток (t) искусственной несимметрии вводится подключением (при помощи коммутационного устройства 72 КУ) регулируемой индуктивности параллельно одной из вторичных фазных обмоток трансформатора 63 Бауха, что эквивалентно (с учетом коэффициента трансформации) включению регулируемой индуктивности между одной из фаз сети и землей. При реализации же блока 22 КАС в соответствии с фиг.6, ток (t) искусственной несимметрии вводится через регулируемую индуктивность и вторичную обмотку 65-67 трансформатора 63 Бауха от одного из линейных напряжений постороннего трехфазного низковольтного (220-1140 В) источника, линейные напряжения которого синфазны с линейными напряжениями U_AB(t), U_BC(t), U_CA(t) сети.

Первая реализация (фиг.5) более автономна, чем вторая (фиг.6), так как не требует постороннего источника, однако она несколько менее эффективна при ЗНЗ в фазных проводниках и обмотках, соединенных в "звезду", поскольку в первом случае фаза тока q(t) искусственной несимметрии отстает на 30^o от ближайшей фазной ЭДС (Е_A(t), E_B(t), E_C(t), (фиг.2) сети, а во втором случае ток (t) синфазен с ней. Поэтому при указанных выше видах ОЗНЗ резонансная настройка КНПС, требующая минимальной мощности компенсатора активной составляющей, совпадает с точной настройкой КЕС только для второй реализации (фиг. 6). Кроме того, первая реализация (фиг.5) требует модернизации готового трансформатора 63 Бауха, если используется серийный образец (например, ТАДТМ или УДТМ). В качестве регулируемой индуктивности, через которую вводится ток (t) искусственной несимметрии, используется дополнительный дроссель 70, соединенный последовательно с тиристорным ключом ТК2 71. Индуктивность регулируется, как и ранее, за счет изменения выдержки _a времени между моментом очередного запирания тиристорного ключа ТК2 71 (которое обнаруживается датчиком 72 ДЗ2 запирания тиристоров) и выдачей следующего отпирающего импульса ₂.

Указанные выдержки времени и отпирающие импульсы, подаваемые на тиристорные ключи 68, 71, формируются блоком 23 БУК (фиг.1), для чего в данный блок подаются сигналы ₁(t) и ₂(t) состояния тиристорных ключей 68 (ТК1) и 71 (ТК2) с датчиков 69 (ДЗ1) и 72 (ДЗ2).

Из-за относительной сложности действий, предусмотренных заявляемым способом, целесообразна микропроцессорная реализация блока 23 БУК, например, в соответствии с фиг.7. В этом случае основу блока 23 БУК составляет микропроцессор 74 с постоянным (ПЗУ) и оперативным (ОЗУ) запоминающими устройствами (ПРЗУ), который следующим образом взаимодействует с другими элементами блока 23. Процессор блока 74 считывает очередную команду программы из ПЗУ, декодирует ее и затем выполняет, обращаясь при этом, в соответствии с содержанием команды, к ОЗУ или к ПЗУ блока 74, а через шину 75 также и к таймерам 76-78, к контроллеру 79 прерываний, к входному порту 80 или к выходному порту 81. При поступлении фронта сигнала на один из входов Ir1 Ir7 контроллера 79 прерываний, последний, взаимодействуя с блоком 74 ПРЗУ, заставляет его прервать выполнение текущей программы, выполнить одну из процедур обработки прерываний, записанных в ПЗУ блока 74, и возвратиться затем к выполнению прерванной программы.

Продолжим теперь рассмотрение процесса управления тиристорными ключами 68 (ТК1) и 71 (ТК2) (фиг.5,6) блоком 23 БУК (фиг.7). Сигналы ₁ и ₂, свидетельствующие о запирании тиристоров ключей 68, 71, поступают на запускающие входы "Е" программируемых таймеров 76 (Т1) и 77 (Т2) (фиг.7). Таймеры считают (в сторону уменьшения кодов) импульсы высокочастотного (например, 2 МГц) тактового сигнала, подаваемого на счетные входы "с" указанных таймеров (фиг. 7). Коды, соответствующие требуемым выдержкам _r и _a времени, записываются в таймеры 76 и 77 процессором 74 с постоянным и оперативным запоминающими устройствами ПРЗУ. По достижении кодом любого из таймеров 76 и 77 нулевого значения последний формирует импульс, поступающий на вход (Ir1 или Ir2) контроллера 79 прерываний и свидетельствующий об окончании очередной выдержки (_r или _a) времени. Вследствие этого блок 74 ПРЗУ переходит к выполнению процедуры обработки соответствующего прерывания. Указанные процедуры предусматривают подачу (через порт 81) отпирающего импульса ₁ или ₂ на соответствующий тиристорный ключ 68 или 71 (фиг.5,6) и перезапуск таймера (76 или 77) на выдержку _r и _a времени, равную длительности отпирающего импульса (например, 200 мкс). По истечении данной выдержки следует новое прерывание по тому же входу. Блок 74 ПРЗУ в процессе выполнения процедуры обработки рассматриваемого прерывания снимает (через порт 81) отпирающий импульс с соответствующего тиристорного ключа (68 или 71 на фиг.5,6) и снова устанавливает таймер 76 или 77 на выдержку времени _r или _a, определяющую, в конечном итоге, величину КЕС или КАС соответственно. Регулирование КЕС и КАС сводится, таким образом, к записи в таймеры 76 и 77 новых значений выдержек _r и _a.

Рассмотрим далее процесс общей синхронизации блока БУК (фиг.7) частотой сети. Сигнал U_AB(t), пропорциональный линейному напряжению сети между фазами А и В, формируется измерительным трансформатором напряжений 24 (фиг.2), подается на вход нуль-компараторов 82 блока БУК (фиг.7) и далее проходит через формирователи 83 и 84, исключающие дребезг, соответственно, на спаде и на фронте этого сигнала (ценой задержки, соответственно, его фронта и спада). Фронт сигнала на выходе формирователя 83, возникающий практически одновременно с переходом линейным напряжением U_AB через "0" (из отрицательных значений в положительные), перезапускает таймер 78, который начинает счет тактовых импульсов, поступающих на его счетный вход "с". Счет начинается с кода, приблизительно соответствующего длительности полупериода сети. В результате по коду, считанному из данного таймера блоков 74 ПРЗУ в любой момент t времени, можно восстановить мгновенную фазу t момента t считывания. При описанном способе синхронизации измерение всех фазовых сдвигов осуществляется относительно линейного напряжения U_AB(t), которому приписывается нулевой фазовый сдвиг. В момент прохождения кодом таймера 78 нулевого значения формируется импульс на его выходе, который инициирует (посредством контроллера 79 прерываний) вызов блоком 74 ПРЗУ процедуры обработки прерывания по входу Ir3 контроллера 79. Данная процедура предусматривает опрос (посредством порта 80) состояния компаратора 82 в тот момент времени, когда мгновенная фаза t по показаниям таймера 78 равна . Так как в этот момент сигнал U_AB(t) должен проходить через "0", по состоянию компаратора 82 (то есть по сигналу на выходе формирователя 84) можно судить о соответствии выдержки времени таймера 78 действительной длительности полупериода при данной частоте сети, а также отрегулировать ее, то есть несколько увеличить эту выдержку, если на выходе формирователя 84 присутствует логический "0" (т.е. U_AB < 0), или уменьшить ее в противном случае (что и предусмотрено процедурой обработки прерывания по входу Ir3 контроллера 79). Образовавшаяся таким образом следящая система, отслеживая изменения частоты сети, исключает их влияние на функционирование устройства.

В нормальном режиме работы сети в сигнале напряжения е(t) смещения нейтрали (поступающем на вход блока 23 БУК с выхода измерительного трансформатора напряжения 24, фиг. 2) отсутствуют скачкообразные изменения, а его амплитуда е(t) не превышает 20% той амплитуды е_m, которая имеет место при глухом ОЗНЗ. В указанном режиме отсутствуют импульсы на входах Ir4, Ir5 контроллера 79 пpерываний, а блок 87 переведен (сигналом z порта 81) в состояние инерционного звена с малой постоянной времени (для чего аналоговый ключ 90 подсоединяет вход операционного усилителя 88 к точке соединения резисторов 91, 92), и поэтому отслеживает подаваемое на его вход напряжение е(t) смещения нейтрали. Прерывание по входу Ir6 контроллера 79 вызывается в том случае, если сигнал g на выходе порта 81 не соответствует сигналу h на выходе компаратора 94 (вследствие чего на выходе логического элемента 95 "НЕРАВНОЗНАЧНОСТЬ" появляется "1", которая как раз и вызывает данное прерывание). Процедура обработки указанного прерывания приводит в соответствие выходной сигнал g порта 81 с выходным сигналом h компаратора 94, в результате чего такое соответствие и является нормальным состоянием рассматриваемого примера устройства перед возможным возникновением режима ОЗЗ. В нормальном режиме работы сети устройство может также осуществлять предварительную (резонансную) настройку КНПС, реализуя какой-либо из известных способов автонастройки, например, [4]

При возникновении (в момент t_o) дугового пробоя изоляции в точке G, например, в обмотке нагрузки, как это показано на фиг.2, напряжение е(t) смещения нейтрали претерпевает скачкообразное изменение, которое, во-первых, отслеживается инерционным звеном с малой постоянной времени (элементы 88-92 на фиг. 7), а, во-вторых, выявляются датчиком 85 дуговых пробоев, который формирует при этом импульс на входе Ir4 контроллера 79 прерываний. Последний инициирует вызов соответствующей процедуры обработки прерывания, в процессе выполнения которой блок 74 ПРЗУ считывает и запоминает в ОЗУ содержимое таймера 78, то есть фиксирует информацию о мгновенной фазе t₀ момента t_o дугового пробоя, а также посредством порта 80 считывает и запоминает в ОЗУ значение сигнала h, то есть знак мгновенного значения e(t₀+) напряжения е(t) смещения нейтрали сразу после пробоя. Помимо этого в процессе выполнения данной процедуры блок 73 ПРЗУ изменяет сигнал z на выходе порта 81, вследствие чего блок 87 переходит в режим преобразования во временной интервал того мгновенного значения e(t₀+) напряжения е(t) смещения нейтрали, которое было зафиксировано сразу же после дугового пробоя. При этом аналоговый ключ устанавливается в положение, показанное на фиг.7, и выходное напряжение интегратора (на элементах 88, 89 и 93) начинает изменяться с постоянной скоростью в сторону уменьшения по абсолютной величине (независимо от знака е(t_o)). По истечении некоторого отрезка времени t (пропорционального мгновенному значению e(t₀+) напряжения е(t) смещения нейтрали сразу после дугового пробоя) сигнал на выходе указанного интегратора достигнет нуля, а затем изменит знак. В момент смены знака сигнала на выходе операционного усилителя 88 нарушается соответствие между сигналами h и g, в результате чего появляется логическая "1" на выходе элемента 95 и контроллер 79 прерываний инициирует вызов блоком 74 ПРЗУ процедуры обработки прерывания по входу Ir6. Указанная процедура считывает и запоминает в ОЗУ блока 74 содержимое таймера 78 и снова приводит в соответствие сигналы h и g. Устройство оказывается подготовленным к получению аналогичной информации при следующем дуговом пробое (если он произойдет). Кроме того, при каждом изменении знака напряжения е(t) смещения нейтрали коммутируется нуль-компаратор 96, вследствие через формирователь 97 импульсов ФИ подает короткие импульсы на вход Ir7 контроллера 79 прерываний, который инициирует вызов блоком 74 ПРЗУ соответствующей процедуры обработки прерывания. При выполнении данной процедуры считываются и запоминаются в ОЗУ блока 74 содержимое таймера 78 и состояние компаратора 96 (через порт 80). Данными действиями готовится исходная информация для автонастройки КЕС в соответствии с п.п.9, 10 формулы изобретения.

Далее блок 74 ПРЗУ обрабатывает полученную информацию. На основании разницы в содержимом таймера 78, считанном в момент изменения знака сигнала на выходе интегратора (прерыванием по входу Ir6) и считанном в момент t₀+ дугового пробоя (прерыванием по входу Ir4), определяется абсолютная величина напряжения смещения нейтрали, имеющая место сразу после дугового пробоя, а по состоянию сигнала q (на выходе компаратора 95) в момент пробоя знак этого напряжения. По содержимому таймера 78 в момент t₀+ определяется также мгновенная фаза t₀ момента пробоя. Выполняя п.2 формулы изобретения, полагают амплитуду Е_o ЭДС, действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, равной определенному выше значению , а фазу этой ЭДС величине wt₀=, взятой с противоположным знаком и увеличенной на в случае, если e(t₀+)<0..o и вычисляются блоком 74 ПРЗУ по формулам (7) и (8), причем при каждом новом определении величин Е_o и b увеличивают на 1 счетчик определений, расположенный в ОЗУ блока 73.

В соответствии с п.4 формулы изобретения величины Е_o и b, полученные при каждом новом дуговом пробое, суммируются в ячейках ОЗУ блока 74 ПРЗУ, а полученные суммы делятся на значение счетчика определений, то есть находится среднее арифметическое указанных величин. В итоге оказываются подготовленными все исходные данные для выполнения (блоком 74 ПРЗУ) действий по п.5 формулы изобретения. Результатом указанных действий являются уточненные величины Е_o и амплитуды и фазы ЭДС, действующей между точкой ЗНЗ и нейтралью сети, а также номер той фазы (А, В или С) сети, для которой абсолютная величина



не превышает

После этого согласно п.6 формулы изобретения блок 74 ПРЗУ устанавливает сигналы _A,_B,_C порта 81, определяющие режим компенсатора 22 активной составляющей (в смысле фазы тока искусственной несимметрии) в соответствии с фазой b.. Так, если компенсатор 22 выполнен в соответствии с фиг.5, то при сигналами _A,_B,_C передается команда коммутационному устройству 73 подключить цепь дополнительного дросселя 70 параллельно обмотке 67 фазы. С трансформатора 63 Бауха (фиг.5) при данными сигналами передается команда подключить указанную цепь параллельно обмотке 65 фазы А трансформатора 63 (фиг. 5), а при параллельно обмотке 66 фазы В этого трансформатора. Если же компенсатор 22 выполнен в соответствии с фиг.6, то при сигналами _A,_B,_C передается команда коммутационному устройству 73 подключить цепь дополнительного дросселя 70 к линейному напряжению между фазами B" и C" низковольтного источника питания (фиг.6), при этими сигналами передается команда подключить указанную цепь к линейному напряжению между фазами C" и A" источника питания, а при или при к линейному напряжению между фазами B" и C" данного источника. Описанные действия устанавливают требуемую фазу вводимого в КНПС тока q(t) искусственной несимметрии.

Зафиксированные в ОЗУ блока 74 ПРЗУ значения содержимого таймера 78 в моменты t_i смены знака напряжением е(t) смещения нейтрали преобразуются в значения t_i мгновенной фазы этих моментов и затем, с учетом запомненных (процедурой обработки прерывания по входу Ir6) состояний компаратора 96 в моменты t_i+, вычисляется управление U_r по КЕС согласно выражению (15), то есть, в соответствии с п.п.9, 10 формулы изобретения. Если применяется интегральный закон регулирования КЕС, то данное управление суммируется (с соответствующим коэффициентом) с ранее установленной выдержкой _r, и новая выдержка записывается в таймер 76. Таким образом делается очередной шаг в сторону уменьшения расстройки КЕС, а результатом последовательности подобных шагов является (если не принимать во внимание КАС) существенное снижение частоты дуговых пробоев в месте ЗНЗ.

Для осуществления настройки КАС в соответствии с п.12 формулы изобретения требуется дополнительная информация об амплитуде и фазе напряжения е(t) смещения нейтрали. Амплитуда е_o напряжения е(t) смещения нейтрали определяется по скважности S импульсов на выходе смещенного компаратора 86. Чтобы определить указанную скважность, процедура обработки прерывания по входу Ir5 контроллера 79 прерываний фиксирует в ОЗУ блока 73 ПРЗУ содержимое таймера 78 в моменты коммутаций компаратора 86. Затем находится разность t кодов, считанных из таймера 78 в соседние по времени моменты переключений. Эта разность связана с упомянутой скважностью S, а следовательно, и с амплитудой е_o однозначной монотонной зависимостью



где смещение компаратора 85.

Фаза v напряжения е(t) смещения нейтрали определяется блоком 74 ПРЗУ на основе вычисленного ранее (по выражению (15)) управления U_r по КЕС, исходя из того факта, что при гармонической форме напряжения е(t) смещения нейтрали для управления U_r справедливо также и выражение (12). Отсюда находим:



Таким образом, фаза напряжения е(t) смещения нейтрали определяется блоком 74 ПРЗУ по формуле (19). Управление же U_A по КАС вычисляется блоком 74 по формуле (11), поскольку все необходимые исходные данные для подстановки в это выражение уже подготовлены. Полученное управление U_A имеет смысл только при гармонической форме напряжения е(t) смещения нейтрали и поэтому используется для изменения выдержки времени t_a (то есть для управления величиной КАС) только в том случае, если во время сбора исходных данных для вычисления U отсутствовали дуговые пробои в месте ЗНЗ. Информация о наличии дуговых пробоев передается программе управления КАС процедурой обработки прерывания по входу Ir4 контроллера 79 путем записи некоторого условного кода (установки флага) в определенной ячейке ОЗУ.

Если для управления КАС применяется интегральный закон, то (при отсутствии дуговых пробоев во время сбора исходной информации) полученное управление U суммируется (с соответствующим коэффициентом) с ранее установленной выдержкой t_a, и новая выдержка записывается в таймер 76. Таким образом, делается очередной шаг в сторону уменьшения расстройки КАС, а результатом последовательности подобных шагов является полная компенсация токов ЗНЗ.

В итоге напряжение между точкой G ЗНЗ и землей становится близким к нулю и дуговой процесс прекращается, вследствие чего сеть может неограниченно долгое время находиться в данном состоянии.

Следует заменить, что в условиях точной настройки КАС и КЕС изменение параметров ЗНЗ, включая полное восстановление диэлектрической прочности изоляции, никак не сказывается на первых гармониках напряжений и токов в сети. Очевидно поэтому, что для распознавания факта устранения повреждения и восстановления нормального режима работы сети требуется выполнение ряда действий. При этом можно воспользоваться каким-либо известным способом распознавания и восстановления нормального режима работы сети, например, описанным в [4]

Предложенный способ допускает комбинирование с другими (известными) способами подавления дуговых ЗНЗ в тех случаях, когда замыкание произошло между фазным проводником сети и землей.