Спосіб демпфування ферорезонансу вимірювальних трансформаторів напруги

Реферат: Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для зменшення вірогідності виникнення ферорезонансу вимірювальних трансформаторів напруги (ТН) мереж 6-35 кВ з ізольованою нейтраллю. Спосіб захисту ТН полягає в тому, що в контур нульової послідовності за допомогою підключення демпфуючого опору до обмотки "розімкнутий трикутник" ТН вносяться втрати потужності, причому із потужності втрат виключають складову, що переноситься на частоті першої гармоніки напруги мережі, шляхом виконання демпфуючого опору комплексним з максимумом імпедансу на частоті першої гармоніки напруги мережі. Це призводить до значного зниження амплітуди першої гармоніки струму обмотки "розімкнутий трикутник" ТН, що покращує її тепловий режим та добре позначається на метрологічних характеристиках ТН. Застосування запропонованого способу демпфування ферорезонансу вимірювальних ТН дозволяє знизити вірогідність пошкодження ТН з-за ферорезонансних коливань, не погіршуючи при цьому його метрологічних характеристик і не перевантажуючи обмотку "розімкнутий трикутник" ТН. UA 100090 C2 (12) UA 100090 C2 UA 100090 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до електротехніки і може бути використаний для зменшення вірогідності виникнення ферорезонансу вимірювальних трансформаторів напруги (ТН) мереж 6-35 кВ з ізольованою нейтраллю. Для вимірювання напруги мереж 6-35 кВ широко використовуються електромагнітні ТН. Середній строк експлуатації ТН становить 3-5 років, що обумовлено пошкодженнями ТН під час виникнення ферорезонансних процесів в мережі. (Нагорный П.Д., Назаров В.В. Измерительные трансформаторы напряжения и контроль изоляции в сетях 6-35 кВ // Промышленная энергетика.-2002. - № 3. - С. 22-23.) Відомий спосіб захисту ТН від ферорезонансу, при якому ТН підключається до мережі через резистори 15-45 кОм або в нейтраль ТН включається резистор з опором не менш за 10 кОм. (Эткинд Л.Л. Защита трансформаторов напряжения в сетях 3-35 кВ. Необходимо изменить режим заземления нейтрали // Новости ЭлектроТехники - 2003. - № 5(23).). Недоліком способу є погіршення метрологічних характеристик ТН. Відомий спосіб захисту ТН від ферорезонансу, при якому нейтраль вимірювального ТН заземлено через допоміжний трансформатор нульової послідовності (ТНП), вторинна обмотка якого закорочується за допомогою схеми автоматики. (Степанов Ю.А. Трансформаторы напряжения контроля изоляции 6-10 кВ. Сравнительный анализ моделей. Новости электротехники. 2003. - № 4(24).). Недоліком способу є необхідність встановлення додаткового трансформатора і дискретність роботи схеми захисту від ферорезонансу, що може призвести до автоколивань в системі. Відомий спосіб захисту ТН від ферорезонансу, при якому в контур нульової послідовності вносяться втрати за допомогою підключення до обмотки "розімкнутий трикутник" ТН демпфуючого опору у вигляді резистора 25 Ом. (Зихерман М.Х. Трансформаторы напряжения для сетей 6-10 кВ. Причины повреждаемости // Новости ЭлектроТехники - 2004. - № 1(25).). Внесення втрат активної потужності в контур нульової послідовності сприяє згасанню ферорезонансних коливань. Спосіб прийнято за прототип. Недоліком способу є те, що включення резистора 25 Ом не завжди достатньо для зриву ферорезонансу ТН. Зменшення опору цього резистора підвищує стійкість ТН до ферорезонансу, проте призводить до перевантаження обмотки "розімкнутий трикутник" під час однофазного замикання на землю. В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб захисту ТН від ферорезонансу, що дозволить уникнути перевантаження ТН і водночас забезпечити ефективне демпфування ферорезонансних коливань. Для рішення поставленої задачі в способі демпфування ферорезонансу вимірювальних трансформаторів напруги, що включає внесення втрат в контур нульової послідовності за допомогою підключення демпфуючого опору до обмотки "розімкнутий трикутник" ТН, відповідно до винаходу, із потужності втрат, що вносяться в контур нульової послідовності, виключають складову, що переноситься на частоті першої гармоніки напруги мережі, шляхом виконання демпфуючого опору комплексним з максимумом імпедансу на частоті першої гармоніки напруги мережі. Комплексний демпфуючий опір може являти собою резистор, послідовно з яким включається режекторний фільтр, реалізований у вигляді керованого джерела синусоїдальної електрорушійної сили (ЕРС), яку формують за допомогою петлі фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) і синхронізують з першою гармонікою напруги обмотки "розімкнутий трикутник". Амплітуду цієї ЕРС встановлюють із умови нульової середньої активної потужності, споживаної джерелом ЕРС і резистором. Це дозволяє виконати пристрій, що реалізує наведений спосіб, бездисипативним. Для мінімізації середньоквадратичного струму обмотки "розімкнутий трикутник" амплітуду керованого джерела ЕРС встановлюють рівній амплітуді першої гармоніки напруги цієї обмотки. Запропоноване технічне рішення пояснюється кресленнями, де на фіг. 1, а показана схема заміщення навантаження ТН, на фіг. 1, б - схема заміщення пристрою, що реалізує наведений спосіб, на фіг. 2 - принципова схема силової частини цього пристрою, на фіг. 3 - структурна схема системи керування ним, на фіг. 4 - принципова схема силової частини пристрою з ланкою обмеження напруги, на фіг. 5 - структурна схема його системи керування. Розглянемо реалізацію вищевикладеного способу захисту ТН від ферорезонансу. Як навантаження обмотки "розімкнутий трикутник" ТН використовується напівмостовий інвертор на IGBT транзисторах (VT1,VT2 фіг. 2), який підключено до ТН (TV1, фіг. 2) через фільтр (L1C1, фіг. 2) та датчик струму (R1, фіг. 2). Інвертор та його схема керування живляться від ланки постійного струму, що представлена конденсаторами С2, С3 (фіг. 2). 1 UA 100090 C2 Інвертор працює як кероване джерело струму з гістерезисним керуванням, що водночас забезпечує надійний захист від аварійного підвищення вихідного струму. Переключення силових транзисторів здійснюється з безструмовою паузою (блок DT, фіг. 3), що запобігає появі "наскрізних" струмів. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 * Завдання на формування вихідного струму інвертора i0 отримується системою керування і може бути представлено як 3u  3e0 , * i0  0 Rd де 3u0 - напруга на "розімкнутому трикутнику" ТН; Rd - імітований активний опір; e0 - імітована ЕРС. Джерело ЕРС e 0 синхронізоване за допомогою петлі ФАПЧ першою гармонікою напруги u0 : e0  E0 sin t , -1 де  - кутова частота, c ; E0 - завдання на амплітуду, В. Завдання на амплітуду формується таким чином, щоб середня активна потужність інвертора була близькою до нуля. Ця умова необхідна для стабілізації напруги на конденсаторах С2, С3 ланки постійного струму. В схемі керування цю функцію виконує П-регулятор напруги з коефіцієнтом передачі KU, на виході якого встановлено пристрій вибірки-зберігання (S/H), який забезпечує зміну сигналу E0 тільки під час переходу напруги u0 через нуль. Це значно покращує спектральний склад ЕРС e0 , різко зменшуючи її коефіцієнт нелінійних спотворень. Сигнал завдання імітованого демпфуючого активного опору Rd може бути постійним або динамічно змінюватись в залежності від умов роботи ТН. Відмінною рисою запропонованого способу захисту ТН від ферорезонансу є те, що ТН практично не має навантаження на частоті мережі. Це запобігає погіршенню його метрологічних показників і знімає проблему перевантажень ТН під час однофазних замикань на землю. Приклад реалізації способу. Для оцінки ефективності застосування запропонованого способу ТН від ферорезонансу було виготовлено експериментальний пристрій активного демпфування ферорезонансу і здійснено аналіз його вхідного струму. В експериментальному пристрої використані наступні елементи: VT1, VT2 типу STGP10NC60HD, L1=2 мГн×10 А (осердя ТІ84-52, кількість витків w=120), С1=2,2 мкФ×400 В, С2=С3=680 мкФ×250 В, система керування виконана на однокристальному мікроконтролері atmega88-20, для керування силовими ключами використано спеціалізований драйвер IRS2109. Середня частота перемикання становить 40 кГц. Випробування показали, що підключення пристрою до обмотки "розімкнутий трикутник" ТН призводить до зменшення коефіцієнта нелінійних спотворень напруги 3u0 , що і потрібно для попередження ферорезонансу. "Жорсткість" характеристики демпфування можна регулювати в широких межах, змінюючи параметр Rd . Під час випробувань спостерігалась негативна активна потужність на основній частоті мережі. Ефект пояснюється тим, що пристрій "абсорбує" енергію гармонійних складових напруги 3u0 і повертає цю енергію в ТН на основній частоті. При встановленні Rd =25 Ом ферорезонансні коливання згасали за 3-4 періоди частоти мережі. Таким чином, запропонований спосіб має ефективність не гірше, ніж у прототипа, але, на відміну від нього, значно менше навантажує ТН. При необхідності мінімізувати струм через обмотку "розімкнутий трикутник" слід усунути з його спектра першу гармоніку. Це може бути реалізовано при встановленні амплітуди ЕРС e0 рівній амплітуді першої гармоніки напруги обмотки "розімкнутий трикутник". При цьому для обмеження напруги на конденсаторах ланки постійного струму застосовується схема "скидання" зайвої енергії. Ця схема складається з резистора R2 і транзистора VT3 (фіг. 4), підключеного до системи керування. Структурна схема системи керування для наведеного пристрою показана на фіг. 5. Застосовувався транзистор VT3 типу STGP10NC60HD та резистор R240 Ом 100 Вт. Пристрій також показав ефективність демпфування не гірше, ніж у прототипа, при цьому струм обмотки "розімкнутий трикутник" був нижче, ніж при застосуванні вищенаведеного пристрою з нульовою середньою активною потужністю. 2 UA 100090 C2 Таким чином, застосування запропонованого способу демпфування ферорезонансу вимірювальних ТН дозволяє знизити вірогідність його пошкодження з-за ферорезонансних коливань, не погіршуючи при цьому метрологічних характеристик ТН і не перевантажуючи його обмотку "розімкнутий трикутник". 5 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 Спосіб демпфування ферорезонансу вимірювальних трансформаторів напруги (ТН), що включає внесення втрат в контур нульової послідовності за допомогою підключення демпфуючого опору до обмотки "розімкнутий трикутник" ТН, який відрізняється тим, що із потужності втрат, що вносяться в контур нульової послідовності, виключають складову, що переноситься на частоті першої гармоніки напруги мережі, шляхом виконання демпфуючого опору комплексним з максимумом імпедансу на частоті першої гармоніки напруги мережі. 3 UA 100090 C2 Комп’ютерна верстка І. Мироненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4