RU2148833C1

RU2148833C1 - Methods for measuring capacitance of circuit with insulated neutral wire

Info

Publication number: RU2148833C1
Application number: RU98119378/09A
Authority: RU
Inventors: нцев А.М. Бр; А.М. Брянцев; нцев М.А. Бр; М.А. Брянцев; А.Г. Долгополов; С.Г. Долгополов
Original assignee: Брянцев Александр Михайлович
Priority date: 1998-10-26
Filing date: 1998-10-26
Publication date: 2000-05-10

Abstract

FIELD: electrical engineering, in particular, devices for compensation of capacitance currents of single phase ground for insulated neutral wire main with 5-35 kV. SUBSTANCE: device provides measurement of mains phase capacitance for subsequent resonance tuning of arc-quenching reactors. Goal of invention is achieved by inducing artificial potential of non-standard frequency on neutral wire using periodic discharge to signal winding of charged capacitor. Signal, which is proportional to capacitance of phases of mains with insulated neutral wire, is produced by means of amplitude detector at output of differentiating circuit, which is connected to output of voltage transformer winding, which is connected as open delta connection. EFFECT: increased precision of measurements, simplified measurement, decreased power consumption in power supply circuits. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам компенсации емкостных токов однофазного замыкания на землю в электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением 6...35 кВ, и может быть использовано для точного измерения емкости фаз сети на землю для последующей резонансной настройки дугогасящих реакторов. The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to devices for compensating capacitive currents of a single-phase earth fault in electric networks with an insulated neutral voltage of 6 ... 35 kV, and can be used to accurately measure the capacitance of the network phases to earth for subsequent resonant tuning of arc suppression reactors.

Известно большое количество способов и устройств измерения емкости сети с изолированной нейтралью и автоматической настройки дугогасящих реакторов. В большинстве практически используемых систем компенсации используется предварительная резонансная настройка компенсирующих устройств без непосредственного измерения значения емкости сети, когда дугогасящие реакторы настраиваются до момента возникновения замыкания на землю по естественному либо искусственно созданному смещению напряжения нейтрали сети. В этих случаях, согласно ПУЭ, необходимо вводить расстройку компенсации не менее 5% от резонанса, что снижает точность компенсации и соответственно увеличивает остаточный ток в месте замыкания. К тому же, такие способы неприменимы для новых типов дугогасящих реакторов, в частности управляемых подмагничиванием, для которых необходима быстрая и точная настройка в резонанс после возникновения замыкания на землю по замеренному в нормальном режиме работы значению емкости сети. There are a large number of methods and devices for measuring the capacity of a network with isolated neutral and automatic tuning of arc suppression reactors. Most practically used compensation systems use a preliminary resonant adjustment of compensating devices without directly measuring the value of the network capacitance, when the arcing reactors are tuned until an earth fault occurs according to a natural or artificially created bias of the neutral voltage of the network. In these cases, according to the PUE, it is necessary to introduce a compensation mismatch of at least 5% of the resonance, which reduces the accuracy of the compensation and, accordingly, increases the residual current at the fault location. In addition, such methods are not applicable for new types of arcing reactors, in particular controlled by magnetization, which require fast and accurate tuning to resonance after an earth fault occurs according to the value of the network capacitance measured in normal operation mode.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения емкости сети с изолированной нейтралью, заключающийся в создании на нейтрали искусственного потенциала путем введения в нейтраль источника непромышленной частоты через сигнальную обмотку дугогасящего реактора и измерении напряжения смещения нейтрали на разомкнутой обмотке трансформатора напряжения [1]. При этом используется дополнительно подключаемый на сигнальную обмотку реактора генератор синусоидального сигнала непромышленной частоты, например повышенной 100 Гц либо пониженной 16 Гц. В нормальном режиме работы сети генератор непрерывно обеспечивает смещение нейтрали, которое зависит от величины емкости фаз сети на землю и фиксируется на выходе обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник. Такие устройства успешно работают и обеспечивают измерение емкости сети для последующей резонансной настройки дугогасящего реактора, однако указанный способ измерения имеет ряд недостатков. Closest to the proposed one is a method of measuring the capacity of a network with isolated neutral, which consists in creating an artificial potential on the neutral by introducing a non-industrial frequency source into the neutral through the signal winding of the arc suppression reactor and measuring the neutral bias voltage on the open winding of the voltage transformer [1]. In this case, a generator of a sinusoidal signal of non-industrial frequency, for example, increased 100 Hz or reduced 16 Hz, is additionally connected to the signal winding of the reactor. In normal operation of the network, the generator continuously provides a neutral offset, which depends on the magnitude of the capacitance of the network phases to earth and is fixed at the output of the voltage transformer winding connected in an open triangle. Such devices operate successfully and provide network capacitance measurement for subsequent resonant tuning of the arcing reactor, however, this measurement method has several disadvantages.

Во-первых, точность измерения емкости сети ограничена в силу ряда возмущающих факторов, в частности естественного смещения нейтрали, вызванного несимметрией емкостей фаз, а также реально существующих в сети гармоник указанных выше частот. Введение узкополосных фильтров в тракт измерения снижает, но не исключает указанных погрешностей измерения. Firstly, the accuracy of measuring the network capacitance is limited due to a number of disturbing factors, in particular, the natural neutral bias caused by the asymmetry of the phase capacitances, as well as the harmonics of the above frequencies that actually exist in the network. The introduction of narrow-band filters in the measurement path reduces, but does not exclude, the indicated measurement errors.

Во-вторых, в таких устройствах используется резонансная настройка сравнением индуктивности дугогасящего реактора с ранее замеренной емкостной проводимостью сети, для чего необходимо помимо напряжения смещения контролировать и ток через реактор. Наличие дополнительного параметра, необходимость операции деления тока на напряжение и введение входных фильтров существенно усложняют устройства и снижают их надежность в сравнении с предлагаемым способом. Secondly, in such devices resonance tuning is used by comparing the inductance of the arcing reactor with the previously measured capacitive conductivity of the network, for which it is necessary to control the current through the reactor in addition to the bias voltage. The presence of an additional parameter, the need for the operation of dividing the current by voltage and the introduction of input filters significantly complicate the device and reduce their reliability in comparison with the proposed method.

В-третьих, непрерывная работа генератора с достаточно мощным выходным сигналом увеличивает потребление устройств такого типа и связанные с этим потери в нормальном режиме, а также в силу преобразования исходного напряжения питания в непромышленную частоту может оказывать обратное влияние на питающую сеть. Thirdly, the continuous operation of the generator with a sufficiently powerful output signal increases the consumption of devices of this type and the associated losses in the normal mode, and also, due to the conversion of the initial supply voltage to a non-industrial frequency, can have an opposite effect on the supply network.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности измерения емкости сети, его упрощение и снижение энергопотребления по цепям питания. Указанная цель достигается тем, что в качестве источника непромышленной частоты используют периодический разряд на сигнальную обмотку предварительно заряжаемого конденсатора, при этом сигнал, прямо пропорциональный емкости фаз сети с изолированной нейтралью, получают с помощью амплитудного детектора на выходе дифференцирующего звена, подключенного к выходу обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник. The aim of the invention is to increase the accuracy of measuring the network capacity, its simplification and reduction of energy consumption in the power supply circuits. This goal is achieved in that a periodic discharge to the signal winding of a pre-charged capacitor is used as a non-industrial frequency source, while a signal directly proportional to the phase capacity of the network with an isolated neutral is obtained using an amplitude detector at the output of the differentiating element connected to the output of the voltage transformer winding connected in an open triangle.

Для пояснения принципа действия на чертеже приведена одна из возможных структурных схем устройства измерения, использующего предлагаемый способ. Схема содержит зарядное устройство 1, подключенное своим входом к питающей сети 220 В, 50 Гц, конденсатор 2, подключенный через ключ 3 к сигнальной обмотке дугогасящего реактора 4, который в свою очередь подключен к сети 6.. . 35 кВ через питающий трансформатор, стандартный трансформатор напряжения НТМИ или НАМИ 5, дифференцирующее звено 6, подключенное к обмотке трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник, а также блок управления и измерения 7, который управляет зарядом и разрядом конденсатора и фиксирует замеренное значение емкости сети. To explain the principle of operation, the drawing shows one of the possible structural diagrams of a measuring device using the proposed method. The circuit contains a charger 1 connected by its input to a 220 V, 50 Hz power supply network, a capacitor 2 connected via a key 3 to the signal winding of the arcing reactor 4, which in turn is connected to a network 6 ... 35 kV through a supply transformer, a standard voltage transformer NTMI or NAMI 5, a differentiating link 6 connected to the winding of a voltage transformer connected to an open triangle, as well as a control and measurement unit 7, which controls the charge and discharge of the capacitor and fixes the measured value of the network capacitance.

Приведенная схема работает следующим образом. В нормальном режиме работы электрической сети до возникновения замыкания на землю конденсатор 2 периодически заряжается от зарядного устройства 1 до фиксированного значения и разряжается через ключ 3 на сигнальную обмотку реактора 4. При этом каждый разряд конденсатора сопровождается соответствующим зарядом емкостей фаз сети и смещением нейтрали, которое фиксируется на выходе трансформатора напряжения 5 с помощью дифференциального звена 6. Применение дифференциального звена, состоящего в простейшем случае из RC-ценочки, позволяет зафиксировать с помощью амплитудного детектора в блоке 7 максимум напряжения, величина которого пропорциональна крутизне фронта заряда емкостей фаз, которая в свою очередь прямо пропорциональна величине емкостей фаз на землю. The above scheme works as follows. In the normal mode of operation of the electric network, before the occurrence of an earth fault, the capacitor 2 is periodically charged from the charger 1 to a fixed value and discharged through the key 3 to the signal winding of the reactor 4. In this case, each discharge of the capacitor is accompanied by a corresponding charge of the capacities of the phases of the network and a neutral bias, which is fixed at the output of voltage transformer 5 using a differential link 6. The use of a differential link, consisting in the simplest case of an RC-pin, allows a fix with the help of an amplitude detector in block 7, monitor the maximum voltage, the value of which is proportional to the steepness of the charge front of the phase capacitors, which in turn is directly proportional to the magnitude of the phase capacitances to earth.

Таким образом, при любом изменении емкостей фаз сети, вызванном оперативными переключениями, соответственно изменяются скорость их заряда и амплитуда напряжения на выходе дифференциального звена. Поскольку длительность разряда конденсатора 2 и соответствующего по длительности фронта заряда емкостей фаз сети достаточно мала (эквивалентная частота более 1 кГц), погрешности от напряжений смещения нейтрали промышленной частоты и кратных гармоник практически отсутствуют, что повышает точность измерения и исключает необходимость введения дополнительных фильтров. Периодический заряд конденсатора от зарядного блока 1 производится малым током за время порядка 1 секунды, что обеспечивает незначительное энергопотребление устройства измерения по сравнению с прототипом. Упрощение устройства достигается отсутствием необходимости измерения, фильтрации и обработки двух измеряемых величин, поскольку в данном случае независимо от возмущающих факторов амплитуда напряжения на выходе дифференциального звена соответствует величине емкости сети. Thus, for any change in the capacitances of the phases of the network caused by operational switching, the speed of their charge and the amplitude of the voltage at the output of the differential link accordingly change. Since the duration of the discharge of the capacitor 2 and the corresponding front of the charge front of the capacities of the network phases is quite small (the equivalent frequency is more than 1 kHz), there are practically no errors from the bias voltages of the industrial frequency neutral and multiple harmonics, which increases the measurement accuracy and eliminates the need for additional filters. The periodic charge of the capacitor from the charging unit 1 is produced by a small current for a time of the order of 1 second, which ensures low power consumption of the measuring device compared to the prototype. The simplification of the device is achieved by the absence of the need to measure, filter and process two measured values, since in this case, regardless of the disturbing factors, the voltage amplitude at the output of the differential link corresponds to the value of the network capacitance.

При значительном изменении конфигурации электрической сети емкость фаз может изменятся весьма существенно, в ряде случаев более чем в 10 раз. В этом случае соответственно будет изменятся и получаемый на выходе дифференциального звена сигнал. Однако при столь большом диапазоне изменения могут возникнуть сложности его точного измерения и последующей обработки. Исключить эти трудности и необходимость выделения через трансформатор напряжения сигнала, изменяемого в широком диапазоне, позволяет способ, отличающийся от описанного лишь тем, что предварительный заряд конденсатора перед его разрядом на сигнальную обмотку дугогасящего реактора осуществляют каждый раз до такого значения, чтобы при его последующем разряде амплитуда сигнала детектора на выходе дифференцирующего звена, подключенного к трансформатору напряжения, оставалась неизменной при любых отклонениях емкости фаз сети, при этом напряжение заряда конденсатора будет прямо пропорционально емкости фаз сети на землю. Блок управления в каждом цикле измерения подбирает заряд конденсатора таким образом, чтобы сигнал на выходе дифференцирующего звена всегда был равен фиксированному значению. При таком способе информационным сигналом, соответствующим измеряемой величине емкости сети, будет напряжение заряда конденсатора 2, которое легко выделяется и обрабатывается во всем диапазоне. With a significant change in the configuration of the electric network, the phase capacitance can change quite significantly, in some cases more than 10 times. In this case, the signal received at the output of the differential link will also change accordingly. However, with such a wide range of changes, difficulties can arise in its accurate measurement and subsequent processing. To eliminate these difficulties and the need to isolate a signal across a wide range through a transformer, a method that differs from that described only in that the capacitor is precharged before it is discharged to the signal winding of the arc suppression reactor each time is achieved so that the amplitude of the next discharge the detector signal at the output of the differentiating element connected to the voltage transformer remained unchanged for any deviations of the capacitance of the network phases, while voltage was the capacitor charge is directly proportional to the capacity of the network phases to the ground. The control unit in each measurement cycle selects the charge of the capacitor so that the signal at the output of the differentiating link is always equal to a fixed value. With this method, the information signal corresponding to the measured value of the network capacitance will be the charge voltage of the capacitor 2, which is easily allocated and processed in the entire range.

Предлагаемые способы измерения емкости сети с изолированной нейтралью были реализованы авторами в макетных образцах и проверены совместно с сетью. Испытания показали высокую точность измерения емкости и подтвердили описанные характеристики. Реализация способа не представляет затруднений как на дискретной полупроводниковой, так и на цифровой элементной базе. The proposed methods for measuring the capacitance of a network with isolated neutral were implemented by the authors in prototypes and tested together with the network. Tests showed high accuracy in measuring capacitance and confirmed the described characteristics. The implementation of the method is not difficult both on a discrete semiconductor and on a digital element base.

Использованная литература
1. А. А. Черников. "Компенсация емкостных токов в сетях с незаземленной нейтралью". М.: Энергия, 1974 г., с. 83-84.References
1. A. A. Chernikov. "Compensation of capacitive currents in networks with non-grounded neutral." M .: Energy, 1974, p. 83-84.

Claims

1. The method of measuring the capacitance of a network with an isolated neutral, which consists in creating an artificial potential on the neutral by introducing a non-industrial frequency source into the neutral through the signal winding of the arc suppression reactor and measuring the neutral bias voltage on the open winding of the voltage transformer, characterized in that they use a non-industrial frequency source periodic discharge to the signal winding of the pre-charged capacitor, while the signal is directly proportional to the phase capacitance with Networks with isolated neutral are obtained using an amplitude detector at the output of the differentiating element connected to the output of the winding of the voltage transformer connected to an open triangle.

2. A method for measuring the capacity of a network with an isolated neutral, which consists in creating an artificial potential on the neutral by introducing a non-industrial frequency source into the neutral through the signal winding of the arc suppression reactor and measuring the neutral bias voltage on the open winding of the voltage transformer, characterized in that they use the non-industrial frequency source periodic discharge to the signal winding of the pre-charged capacitor, and pre-charge of the capacitor before it is discharged The signal winding of the arc suppression reactor is carried out each time to such a value that, when it is subsequently discharged, the amplitude of the detector signal at the output of the differentiating element connected to the voltage transformer remains unchanged for any deviations of the network phase capacitance, while the capacitor charge voltage will be directly proportional to the phase capacitance network to the ground.