FI117456B - Menetelmä ja laite kompensointitasapainon ja -epätasapainon mittaamiseksi sähkönsyöttöverkossa - Google Patents

Description

1 : 117456

Menetelmä ja laite kompensointitasapainon ja -epätasapainon mittaamiseksi sähkösyöttöverkossa

Keksintö liittyy kompensoituihin sähkönjakeluverkkoihin, ts. verkkoi- ' 5 hin, jotka sisältävät kompensointikelan tai Petersenin kelan, joka sallii johdon jaetuista kapasitansseista aiheutuneen kapasitiivisen virran kompensoinnin; kompensointikelan avulla saavutetaan tasapaino, ts. johdon kapasitiivisten impedanssien täydellinen kompensointi.

Keksinnön kohteena on erityisesti menetelmä ja laitteisto sähkönja-10 keluverkon kompensoinnin epätasapainon mittaamiseksi; itse asiassa, kun verkon kapasitiivinen ominaisimpedanssi muuttuu, esim. merkittävien käyttäjien liittymisen tai irrottautumisen vuoksi, kompensointikela ei ole tasapainossa, ts. se ei enää täysin kompensoi verkon kokonaiskapasitanssia. Tällaisessa tapauksessa on eduksi muuttaa kompensointikelan impedanssin arvoa niin, että ' 15 tasapaino palautetaan. ?

On ehdotettu, että verkon kompensoinnin epätasapainon ilmaisemiseksi ja mittaamiseksi syötetään nollapiiriin sähkövirta, jonka taajuus on hieman erilainen kuin verkon taajuus; syntyvän huojuntailmiön avulla voidaan silloin ilmaista ja mitata verkon epätasapaino. Tämä menetelmä on suhteellisen 20 monimutkainen ja edellyttää merkittävää laitteistoa, erityisesti generaattoria, jonka taajuus on erilainen kuin verkon. Lisäksi tällainen toiminta vaatii pitkä-aikaista säätöä ja mittausta.

/*.·* On myös ehdotettu, kuten EP-patentissa 235 145 kuvataan, järjestää i • · « ·*·· * laitteisto, jonka avulla voidaan säätää reaktanssin komplementtia verkon nol- * 25 lan ja maan välillä ja laskea sitten verkon vaimennuksen, epäsymmetrian ja epätasapainon parametrit. Reaktanssin komplementin yhdistäminen verkon • ;*: nollan ja maan välille voidaan toteuttaa kytkemällä kompensointikelalle rinnak- «f I · kais- tai sarjaimpedanssi tai myös silloin kun verkko sisältää säädettävän kompensointikelan, muuttamalla itse kompensointikelaa.

. 30 Tämän menetelmän haittana on, että näin suoritetun mittauksen vas- • · · *·;;* teaika on pitkä, se voi olla muutamien minuuttien luokkaa; mittaustarkkuus ei ole kovin hyvä, erityisesti jos epäsymmetria on vähäistä, eikä menetelmää voi- da toteuttaa luotettavasti kaikissa verkon käyttöolosuhteissa.

[···. Keksinnön tavoitteena on tuottaa menetelmä ja laitteisto kompen- • · *.** 35 sointikelalla kompensoidun sähkönjakeluverkon kompensoinnin tasapainon ja * * · v : epätasapainon mittaamiseksi, joilla on lyhyt vasteaika, edulliset valmistus- • · · * · • · 2 117456 kustannukset ja jotka toimivat kaikissa olosuhteissa riippumatta verkon luonnollisesta epäsymmetriasta.

Tätä varten keksinnön kohteena on menetelmä maasulkuvirran kom-pensointikelan sisältävän sähkönjakeluverkon kompensoinnin epätasapainon 5 mittaamiseksi, jolle on tunnusomaista se, mitä on sanottu itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Kyseinen mittausmenetelmä käsittää aktiivisen järjestelmän, jonka vasteaika on selvästi pienempi kuin menetelmissä, jotka perustuvat nollapiirin impedanssin muutoksiin. Toisaalta tämä menetelmä voidaan ottaa käyttöön 10 yksinkertaisella tavalla.

Ensimmäisen suoritusmuodon mukaan syötetään mittauksen apu-jännite sarjaan kompensointikelan kanssa.

Edullisesti mittauksen apujännite syötetään sellaisen muuntajan avulla, jonka toisio on kytketty sarjaan kompensointikelan kanssa.

15 Toisen suoritusmuodon mukaan syötetään rinnakkaisvirtaa nollapii- riin.

Edullisesti mittauksen apuvirta syötetään nollapiiriin unipolaarisella muuntajalla.

Tämä suoritusmuoto on erityisen edullinen, sillä se vaatii vain vähän 20 osia, erityisesti silloin, kun unipolaarinen muuntaja on jo kompensointikelassa.

Keksinnön muut tunnusmerkit ja edut käyvät ilmi keksinnön suori- tusesimerkkejä seuraavasta selityksestä, jossa oheisiin viitataan kuvioihin, jois- /*:* ta: * · · kuvio 1 on kompensoidun verkon sijaiskytkentä, • · * *·* | 25 kuvio 2 esittää mittasignaalin syöttämisperiaatetta, ’·**· kuvio 3 on kaavio laitteistosta, joka syöttää sarjamuotoisen jännit- : teen, :*·*: kuvio 4 on kaavio laitteistosta, joka syöttää rinnakkaismuotoisen vir- ran, ja : a 30 kuvio 5 on kaavio keksinnön eräästä suoritusmuodosta.

V.’. Kuvio 1 esittää kompensoidun sähkönjakeluverkon sijaiskytkentää.

• · *·;·* Kompensoituihin sähkönjakeluverkkoihin sisältyy nollapiirin impedanssi 1 tai reaktiivinen kompensointikela, joka on kytketty jännitelähteen nollan ja maan • .**·. väliin. Yksivaiheisen vian sattuessa tämän kompensointikelan kautta kulkeva 35 reaktiivinen virta sallii verkon kapasitiivisen virran kompensoinnin siten, että vi- ·.* * kavirtaa saadaan rajoitettua.

• · .

3 : 117456

Kuviossa 1 kondensaattorit C1, C2 ja C3 edustavat verhon jaettuja kapasitansseja.

Verkon normaalikäytössä, ts. kun vikavirtaa ei ole, jännite nollajoh-don ja maan välillä määräytyy kolmesta perusparametristä, epätasapainosta 5 m, epäsymmetriasta k, ja vaimennuksesta d. Nollajohdon ja maan välinen normalisoitu jännite vng voidaan siis kirjoittaa: i VNG k vNG = —-= —=^- (1)

Vnotn m + jd 10 missä Vnom on verkon yksivaiheinen nimellisjännite, ts. yhden vaiheen ja nollan välinen jännite ja Vng on jännite kompensointikelan 1 liittimissä.

Keksinnön mukaisesti mittauksen apusignaali syötetään verkon nol-la-maa-piiriin. Yllä mainitut parametrit lasketaan siis superpositioteoreemaa soveltamalla perustuen vertailuun syötetyn signaalin ja tämän syöttämisen ai-15 heuttaman nolla-maa-jännitteen muutoksen välillä. ^ Tällöin mitataan nolla-maa-piirin uuden impedanssin amplitudi ja vaihe (suorittamalla vektorianalyysi Δν/Δ1), ja näin voidaan määrätä kelaan tehtävä muutos verkon tasapainon palauttamiseksi.

Tämä esitetään kaaviona kuviossa 2, jossa näkyy kompensointikela 20 1 ja jokaisen vaiheen jaetut impedanssit C1, C2, C3.

.V. Keksinnön mukainen menetelmä käsittää mittausjännitteen V syöt- • · · :\lm tämisen sarjassa kompensointikelan 1 kanssa.

Kompensointikelan 1 kanssa Saijaan syötetyn jännitteen vaikutus *·' * selviää seuraavasta yhtälöstä: 25 (2) «*» · f VNG 11 --Vi -* * “ m + jd

Mitataan jännitteen Vng muutos syötetyn jännitteen funktiona ja siitä voidaan päätellä johdon epätasapaino m, mistä voidaan laskea aivo, jolla ke- ;·] 30 lan impedanssia on muutettava uuden tasapainon saavuttamiseksi.

*... Mittasignaali voidaan syöttää kahdella tavalla. Ensiksikin voidaan • · *;·* syöttää jännite sarjassa kelan 1 kanssa, mikä edellyttää syöttömuuntajan 11 liittämistä sarjaan mainitun kelan 1 kanssa; kuten kuviossa 3 esitetään. Muun-tajan ominaisuuksien on oltava seuraavat: 117456 4 - jännitteen keston on vastattava suurinta mahdollista jännitettä suoran yksivaihevian tapauksessa verkon epäsuotuisimmassa konfiguraatiossa, - virran keston on vastattava suurinta mahdollista nollajohdossa kul- . i kevaa virtaa, kuten myös suoran yksivaihevian tapauksessa.

5 Muuntajan 11 ensiötä syöttää jännitelähde 12.

Muuntaja 11 voi olla esim. rengas. Ensiöpiiri on toteutettava niin, että se kestää jännitteen ja virran aiheuttamat rasitukset verkon yksivaihevian tapauksessa. Kytkin 14 sallii syöttömuuntajan oikosulkemisen toisiopuolelta, jos laitteisto ei ole käytössä.

10 Toisen suoritusmuodon mukaan mittaussignaalin syöttö tapahtuu syöttämällä virta rinnakkain nollajohdon kelan 1 kanssa. Tämä esitetään kuviossa 4. ·."

Lisävirran syöttäminen edellyttää syöttömuuntajan 21 käyttöä, jonka on täytettävä seuraavat ehdot: 15 - jännitteen keston on vastattava suurinta mahdollista jännitettä kelan „ < 1 liittimissä, ts. yksivaiheista nimellisjännitettä Vn0m suoran yksivaihevian tapa- < uksessa, - virran keston on vastattava suurinta mahdollista virtaa, joka joudutaan syöttämään verkkoon.

20 Muuntajan 21 ensiötä syöttää jännitelähde 22 sarjassa impedanssin 23 kanssa. Nämä kaksi elementtiä voivat olla säädettäviä ja/tai kytkettäviä; tämä järjestely sallii yhtä hyvin nolla-maa-kytkennän kokonaisimpedanssin muutoksen komplementtimittausten suorittamiseksi, ilman mittaussignaalin syöttöä.

* * * t' 25 Tällä keksinnön toisella suoritusmuodolla on etuna, että syöttömuun- tajan täytyy kestää vain heikompia rasituksia kuin tapauksessa, jossa syöte-:.· · tään jännite sarjaan kelan 1 kanssa.

:T: Toisaalta verkossa ilmenevän suoran yksivaihevian tapauksessa en simmäisessä suoritusmuodossa syöttömuuntajan ensiöön indusoituu merkittä- . 30 vä virta, mikä johtaa tämän muuntajan, sekä myös apulähteen ylimitoitukseen.

• · ·

Toinen haitta on se, että tapauksessa, jossa syötetään jännitettä, **;·* mittaus suoritetaan sarjaresonanssipiirissä eikä rinnakkaisresonanssipiirissä kuten mittausvirtaa syötettäessä. Resonanssin vahvistuminen ei ole hallit- :***: tavissa ja se voi siis aiheuttaa merkittävän ja tuhoisan unipolaarisen jännitteen.

• · · 35 Kuvio 5 esittää keksinnön suoritusesimerkin, joka käyttää hyväksi pe- *·* : riaatetta syöttää mittausvirtaa.

t * · · • · 5 ' , 117456 Tässä kuviossa on esitetty kaaviona keskijänniteverkko 51, jonka vaihe-nolla-jännite on 12 000 V (20 kV vaiheiden välillä) ja joka syöttää 400 V:n pienjänniteverkkoa, jolla on kompensointikela 52 ja jaettu impedanssi 53. ' Tämä verkko käsittää, niin kuin usein on tapana, unipolaarisen muuntajan 54 5 asennettuna jakeluaseman tasolle ja joka käyttää nollapisteen kelan magneettista ydintä. Tätä unipolaarista muuntajaa 54 käytetään syöttämään mittaus-virta, jonka tuottaa esim. apujännitelähde 55, jonka muodostaa esim. aseman apujännite, kuten 220 V, sarjaankytkettynä muutaman kymmenen ohmin, esim. 20 ohmin vastuksen 56 kanssa.

10 Muuntajan 54 toisioon kytketty resistanssi R symboloi pienjännite- puolen vaimennusresistanssia keskijännitepuolen 20 A:n virralla. Jos keskijän-nitepuolen virran aktiivinen komponentti on 20 A, vaimennusvastus keskijänni-tepuolella on 600 ohmia. Jos unipolaarisen muuntajan 54 muuntosuhde on 30, tämä vastaa pienjännitepuolen vaimennusvastusta R, jonka arvo on 0,66 oh- 15 mia.

Jos syöttöresistanssin 56 arvo on 20 ohmia ja jos jännitelähde 55 tuottaa 220 V;n jännitteen, syntyy 10,6 A:n virta, mikä aiheuttaa tasapainotilassa noin 7 V:n jännitteen pienjännitepuolen vaimennusvastuksessa R; tämä vastaa 1,75 % unipolaarijännitteestä (nimellisjännitteeseen suhteutettu arvo).

20 Jos ylikompensaatiosta aiheutuu epätasapaino, joka vastaa esim.

100 A:n virranvoimakkuutta, unipolaarijännitteen indusoima muutos tulee jakaa 5:llä, ts. niin, että se vastaa 0,35 %, eli arvoa, joka on vielä helppo mitata.

.'1' Pienjännitepuolella (nimellisjännite suorassa viassa: 400 V), tämä vastaa mi- :;.y tattua 1,4 V:n muutosta unipolaarijännitteessä, joka suurimmillaan on luokkaa * · *·* * 25 24 V, ts. 6 % suurimmasta unipolaarijännitteestä vikaa lukuunottamatta, mikä on normaalilla toiminta-alueella.

Jos taas alikompensaation vuoksi esiintyy epätasapainoa, on mah-dollista saavuttaa tasapaino sarjaankytkemällä unipolaarimuuntajan 54 vuoto- ♦ reaktanssi ja keskijännitepuolen epätasapainon jäännöskapasitanssi. Tämä ei . ... 30 ole hankalaa sillä virran syöttö tapahtuu pienjännitepuolen lähteellä; tämä täy- « · i tyy tarvittaessa ottaa huomioon verkon tasapainolaskelmissa todellisen, keski- • · *·;·* jännitepuolelta mitatun unipolaarijännitteen mittauksella.

Keskijännitepuolen vian sattuessa syntyvä jännite on 400 V, joka sa-tunnaisesti voi olla vastakkaissuuntainen 220 V:n apujännitelähteelle. Siitä .·] 35 seuraa, että syöttöpiirissä kulkeva virta on 30 A. Sen vuoksi mittapiiriin asen- *·* ; nettu kontaktori 57 täytyy mitoittaa 30 A:n virralle ja 620 V:n jännitteelle.

6 117456

Unipolaarijännitteen muutoksen mittaus voidaan kuvion 5 tapauksessa suorittaa pienjännitepuolelta tai keskijännitepuolelta.

Nähdään, että keksintö mahdollistaa verkon epätasapainon mittaamisen nopeasti, ts. vajaan sekunnin vasteajalla niin, että tasapaino voidaan 5 tarvittaessa palauttaa automaattisesti kompensointikelaa muuttamalla.

Lisäksi keksintö ei vaadi lainkaan epäsymmetrian mittausta, niin kuin yllä mainitun EP-patentin kuvaaman laitteiston tapauksessa, mikä tekee mittauksesta erittäin helpon.

Edelleen, tunnetun tekniikan mukaisiin laitteisiin verrattuna, keksin-1Ö nön mukainen menetelmä tekee tarpeettomaksi suorittaa kytkentöjä kompen-sointikelan tasolla. Tämä on erityisen tärkeää, sillä riippuen käytetyn kom-pensointikelan tyypistä, voi käydä niin, että kytkennän aikana kompensointia ei esiinny enää lainkaan. Tämä olisi erityisen epäedullista, sillä hyvin usein lyhyen ajan kuluessa syntyy useita vikoja, esim. salaman iskiessä tai rajuilmalla.

15 Lisäksi se, että kytkentää ei suoriteta kompensointikelalla sallii viime mainitun hinnan huomattavan alentamisen.

Keksinnön mukainen laitteisto on yleensä poiskytkettynä ja kontaktori 57 kytkee sen päälle vain kun havaitaan unipolaarijännitteen muutos. Suoritetaan siis mittaus syöttämällä virtaa ja jos huomataan verkon epätasapaino, 20 lasketaan suoritettava kompensointi ja toteutetaan se muuttamalla esim. kelan 1 tasoa.

Keksinnön toinen etu yllä mainitusta EP-patentista tunnettuun lait- teistoon nähden, jossa muutetaan maadoitusimpedanssia on se, että tunne- \\V tussa laitteistossa nolla-maa-piirin resistanssin täytyy pysyä vakiona. Keksin- * * * *·’ " 25 nön mukaisessa laitteistossa ei muuteta maadoitusimpedanssia, minkä vuoksi mittaus ei vääristy.

!,·*· Tämä on erityisesti totta, mikäli kelaa kytkettäessä tai muuten muu- tettaessa sen laatukerroin vaihtuu.

• -

Vaikutus tasapainon mittaustarkkuuteen sallii kelojen kustannusten , ,·, 30 pienentämisen suhteella, joka voi olla jopa 5.

• · ·

Keksinnön etuna on lisäksi, että mittasignaalia syötettäessä aiheute-**;·* taan unipolaarijännitteen muutos, joka on käytettävissä kaikkialla jakelujoh- dossa ja joka siis muodostaa eräänlaisen "kuljetinvirtasignaalin", jota voidaan .***. käyttää mistä tahansa johdon varteen sijoitetusta jakeluasemasta kaukokäytön 35 aikaansaamiseksi.

• ·* / • · · • · · * : *♦·*· * · i\ 117456 - · I ' 7

Keksinnön mukainen laitteisto on erittäin edullinen; toteutusesimer-kissä tarvitaan vain jakeluasemassa saatavana olevan apujännitteen liitäntä, kontaktori ja vastus, joka voidaan hankkia yhtä helposti kuin ne, joita käytetään sähköisissä lämpöpattereissa.

5 • · • · · • · · • · • · • · · • · · ··· · • · « • · · • · · • » • « 1 • · 1 ··«· ···' • · · • · · * • .Ί.ν ·· Φ « · .

**· • · • · • · * · · * • · • 1 - • Φ · • ·· • · * ♦ ' ' * · · • · 1 *·· • f 1

Claims (9)

117456 8

1. Menetelmä maasulkuvirran kompensointikelan (1) käsittävän sähkönjakeluverkon kompensoinnin tasapainon ja epätasapainon mittaamiseksi, t u n n e 11 u siitä, että verkon nollapiiriin syötetään testausapusignaali 5 verkon taajuudella, siitä, että mitataan mainitun syötetyn testausapusignaalin indusoiman unipolaarisen jännitteen vaihtelu, ja siitä, että impedanssi mitataan vertaamalla unipolaarisen jännitteen vaihtelua testausapusignaaliin amplitudin ja vaihesiirron suhteen.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 10 että syötetty apusignaali on mittauksen apujännite, joka syötetään sarjaan kompensointikelan (1) kanssa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että apusignaali on virta, joka syötetään nollapiiriin kompensointikelan (1) rinnalle.

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, t u n n e 11 u siitä, että mittauksen apuvirta syötetään nollapiiriin unipolaarisella muuntajalla (54).

5. Patenttivaatimuksen 3 mukainen menetelmä, t u n n e 11 u siitä, että mittauksen apuvirta (21) syötetään mittausmuuntajan avulla, jonka toi- 20 siokäämi on kytketty kompensointikelaan (1).

6. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, :V: että mittauksen apujännite syötetään muuntajan (11) avulla, jonka toi- : siokäämi on kytketty sarjaan kompensointikelan (1) kanssa.

7. Laitteisto patenttivaatimuksen 3 mukaisen menetelmän toteut- : 25 tamiseksi, t u n n e 11 u siitä, että se käsittää virtalähteen (55, 56), joka on .* kytketty sarjaan unipolaarisen muuntajan ensiöpiiriin ja on tarkoitettu tes- • # · tausapusignaalin syöttämiseen verkon nollapiiriin verkon taajuudella, kytken-ν' ; tävälineet (57) mainitun lähteen yhdistämiseksi piiriin unipolaarisen jännit teen vaihtelun havaitsemisen aikana, ja välineet syötetyn apusignaalin in- : ·*: 30 dusoiman unipolaarisen jännitteen vaihtelun mittaamiseksi ja impedanssin ··· .···. mittaamisen suorittamiseksi vertaamalla unipolaarisen jännitteen vaihtelua testausapusignaaliin amplitudin ja vaihesiirron suhteen.

: *·· 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että mainittu virtalähde on saatu aikaan verkon hallinta-aseman apujännit- .1. 35 teestä.

• · · * . 9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, ··*·· että unipolaarisella muuntajalla on toisiokäämi, joka verkon selkeän vian yh- 9 117456 teydessä tuottaa pienjännitetasoisen jännitteen, ja että virtalähde käsittää muutaman kymmenen ohmin resistanssin, jota hallinta-aseman apujännite syöttää. ' ·'1 • · • · · . · 1 « * · • · · • · · ♦·· · . • M * 1 · • · 1 • · • · ··· ··1· • · · • · · • 1 · « · « . • · · · *·· • · • · ··· • ’£ • · • · • ·· • « » ·· — • · ··♦ • · » • · · f · 117456 1° i