RU2169375C2

RU2169375C2 - Device measuring capacitance of network with insulated neutral

Info

Publication number: RU2169375C2
Application number: RU99112871A
Authority: RU
Inventors: А.Г. Долгополов
Original assignee: Научно-технический центр Всероссийского электротехнического института им. В.И. Ленина
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2001-06-20

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: invention specifically refers to devices measuring and compensating for capacitive currents of single-phase contact to ground in power networks with insulated neutral with voltage of 6-35 kV. It can be used for precise measurement of capacitance of phases of network to ground for subsequent resonance adjustment of arc-extinction reactors. Proposed device measuring capacitance of network with formation of artificial potential of noncommercial frequency on neutral utilizes periodic discharge to signal winding of pre-charged capacitor in the capacity of source of noncommercial frequency. In this case signal directly proportional to capacitance of phases of power network with insulated neutral is generated at moment of discharge across output of winding of voltage transformer connected in open delta connection with the aid of two differentiating links, amplitude detector and divider connected in series. Moment of each discharge of capacitor is matched with transfer of natural voltage of network neutral through zero with the help of synchronization unit. EFFECT: increased accuracy of measurement of capacitance of network, widened functional capabilities of device and reduced consumption of energy in supply circuits. 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам измерения и 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 (ДГР). The present invention relates to the field of electrical engineering, in particular to devices for measuring and compensating capacitive currents of single-phase earth faults in electric networks with an insulated neutral voltage of 6 ... 35 kV, and can be used to accurately measure the capacitance of the phases of the network to earth for subsequent resonant tuning arc suppression reactors (DGR).

Известно большое количество способов и устройств измерения емкости сети с изолированной нейтралью и автоматической настройки дугогасящих реакторов [1] . В большинстве практически применяемых 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 [1]. Most practically used compensation systems use preliminary resonant tuning of compensating devices without directly measuring the value of the network capacitance, when the arcing reactors are tuned until a ground fault occurs by 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 arc suppression 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 устройству 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 либо через отдельный трансформатор 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 16,6 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, снижающих точность измерения при наличии естественного напряжения смещения нейтрали или параллельно подключенных ДГР, а также непрерывные потери, связанные с работой синусоидального источника непромышленной частоты. Closest to the proposed device is a 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 arcing reactor or through a separate transformer and measuring the neutral bias voltage on the open winding of the voltage transformer [1] . In this case, an additional sinusoidal signal generator of non-industrial frequency, for example, increased 100 Hz or reduced 16.6 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 phases of the network 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 a number of disadvantages that reduce the measurement accuracy in the presence of a natural neutral bias voltage or parallel connected GDR, as well as continuous losses associated with the operation of a sinusoidal source of non-industrial frequency .

Для устранения этих недостатков в качестве источника непромышленной частоты предлагается использовать периодический разряд на сигнальную обмотку предварительно заряжаемого конденсатора, при этом сигнал, обратно пропорциональный емкости фаз сети на землю, выделяется с помощью амплитудного детектора на выходе дифференцирующего звена, подключенного к выходу обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник. Чем больше емкость сети, тем при неизменном заряде конденсатора пропорционально меньше скорость заряда емкости сети и, соответственно, амплитуда производной напряжения заряда емкости сети на выходе дифференцирующего звена, подключенного к обмотке трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник. Чтобы получить вместо обратной прямо пропорциональную зависимость от емкости сети достаточно взять обратную величину сигнала на выходе амплитудного детектора с помощью делителя или аналогичного элемента, обеспечивающего обратную функцию 1/х. To eliminate these shortcomings, it is proposed to use a periodic discharge to the signal winding of a pre-charged capacitor as a source of non-industrial frequency, while a signal inversely proportional to the capacitance of the network phases to earth is extracted using an amplitude detector at the output of the differentiating link connected to the output of the voltage transformer winding connected into an open triangle. The larger the capacity of the network, the constant charge of the capacitor is proportionally lower than the charge rate of the capacity of the network and, accordingly, the amplitude of the derivative voltage of the charge of the capacity of the network at the output of the differentiating element connected to the winding of the voltage transformer connected to an open triangle. To obtain instead of the inverse direct proportional dependence on the network capacity, it is enough to take the reciprocal of the signal at the output of the amplitude detector using a divider or similar element providing the inverse 1 / x function.

Однако и в этом случае при существенно меньших потерях на измерение и отсутствии влияния параллельно включенных ДГР и других индуктивностей (благодаря малой длительности и высокой эквивалентной частоте импульса разряда конденсатора) такое устройство может иметь ощутимую погрешность при значительной величине напряжения смещения нейтрали, которая допускается и реально достигает в воздушных сетях 15%. По этой же причине такой способ принципиально не применим для измерения в режиме однофазного замыкания, когда смещение нейтрали соответствует фазному напряжению (100%). Поэтому предложенная схема должна быть дополнена блоком синхронизации, обеспечивающим разряд конденсатора в момент прохождения естественного смещения напряжения нейтрали (напряжения помехи) через нуль. However, even in this case, with significantly lower measurement losses and the absence of the influence of parallel-connected GDR and other inductances (due to the short duration and high equivalent frequency of the capacitor discharge pulse), such a device can have a noticeable error with a significant value of the neutral bias voltage, which is allowed and actually reaches in air networks 15%. For the same reason, this method is fundamentally not applicable for measurement in single-phase circuit mode, when the neutral offset corresponds to the phase voltage (100%). Therefore, the proposed circuit should be supplemented by a synchronization unit that provides a discharge of the capacitor at the moment of the passage of the natural bias of the neutral voltage (interference voltage) through zero.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности устройства для измерения емкости сети, расширение его функциональных возможностей и снижение потерь в режиме измерения. The aim of the invention is to increase the accuracy of the device for measuring network capacity, expanding its functionality and reducing losses in the measurement mode.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения емкости сети с изолированной нейтралью, содержащем подключенный в нейтраль сети через сигнальную обмотку дугогасящего реактора или отдельный трансформатор источник непромышленной частоты и стандартный трансформатор напряжения с обмоткой, соединенной в разомкнутый треугольник, источник непромышленной частоты содержит зарядный блок и подключенный к его выходу конденсатор, который через управляемый коммутатор периодически разряжается на сигнальную обмотку дугогасящего реактора или на обмотку отдельного трансформатора, а сигнал, пропорциональный емкости сети, получается с выхода обмотки трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник, через последовательно соединенные первое дифференцирующее звено, второе дифференцирующее звено, амплитудный детектор и делитель, при этом блок синхронизации, соединенный своим входом со вторым дифференцирующим звеном, а выходом - с управляемым коммутатором, обеспечивает разряд конденсатора через управляемый коммутатор в момент перехода напряжения смещения нейтрали и его второй производной через нуль. This goal is achieved by the fact that in the device for measuring the capacity of the network with an isolated neutral, containing connected to the neutral of the network through the signal winding of the arc suppression reactor or a separate transformer, a non-industrial frequency source and a standard voltage transformer with a winding connected in an open triangle, the non-industrial frequency source contains a charging unit and a capacitor connected to its output, which through a controlled switch is periodically discharged to the signal winding of the arcing factor or to the winding of an individual transformer, and a signal proportional to the network capacitance is obtained from the output of the voltage transformer winding connected to an open triangle, through the first differentiating link, the second differentiating link, the amplitude detector and the divider, while the synchronization unit is connected by its input with a second differentiating element, and the output with a controlled switch, provides a capacitor discharge through a managed switch at the time of voltage transition neutral and its second derivative through zero.

Для пояснения принципа действия на чертеже приведена одна из возможных структурных схем устройства. To explain the principle of operation, the drawing shows one of the possible structural diagrams of the device.

Схема содержит зарядный блок 1, подключенный своим входом к питающей сети 220 В, 50 Гц, конденсатор 2, подключенный через управляемый коммутатор 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, первое дифференцирующее звено 6, подключенное к обмотке трансформатора напряжения, соединенной в открытый треугольник, а также блок синхронизации, управления и измерения 7, который через блок синхронизации (БС) управляет разрядом конденсатора и фиксирует замеренное значение емкости сети на выходе содержащейся в нем последовательной цепочки из второго дифференцирующего звена (ДЗ) 2, амплитудного детектора (АД) и делителя (Д). The circuit contains a charging unit 1 connected by its input to a 220 V, 50 Hz power supply network, a capacitor 2 connected through a controlled switch 3 to the signal winding of an arc suppression reactor 4, which in turn is connected to a 6 ... 35 kV network through a power transformer, standard voltage transformer NTMI or NAMI 5, the first differentiating element 6 connected to the winding of the voltage transformer connected to an open triangle, as well as a synchronization, control and measurement unit 7, which controls the discharge through a synchronization unit (BS) the capacitor house and fixes the measured value of the network capacitance at the output of the sequential chain contained in it from the second differentiating link (DZ) 2, the amplitude detector (AD) and the divider (D).

Приведенная схема работает следующим образом. В нормальном режиме работы электрической сети до возникновения замыкания на землю конденсатор 2 периодически заряжается от зарядного блока 1 до фиксированного значения и разряжается через управляемый коммутатор 3 на сигнальную обмотку реактора 4. При этом каждый разряд конденсатора сопровождается соответствующим зарядом емкостей фаз сети и смещением нейтрали, которое преобразовывается на выходе трансформатора напряжения 5 с помощью дифференциального звена 6 в производную напряжения нейтрали. Применение второго дифференциального звена, состоящего, как и первое, в простейшем случае из RC - цепочки, позволяет получить вторую производную этого напряжения, после чего в амплитудном детекторе выделяется ее максимум, а в делителе вычисляется его обратная величина, прямо пропорциональная величине емкостей фаз на землю. Таким образом, при любом изменении емкостей фаз сети, вызванном оперативными переключениями, соответственно изменяется скорость их заряда, ее производная и амплитуда напряжения на выходе детектора, обратная величина которой в масштабе соответствует емкостному току или проводимости сети. 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 charging unit 1 to a fixed value and discharged through the managed switch 3 to the signal winding of the reactor 4. Moreover, each discharge of the capacitor is accompanied by a corresponding charge of the capacities of the phases of the network and a neutral offset, which It is converted at the output of voltage transformer 5 using a differential link 6 into the derivative of the neutral voltage. The use of the second differential link, which, like the first, in the simplest case, consists of an RC circuit, allows us to obtain the second derivative of this voltage, after which its maximum is extracted in the amplitude detector, and its inverse value is calculated in the divider, which is directly proportional to the value of the phase capacitance to earth . Thus, for any change in the capacitances of the phases of the network caused by operational switching, the speed of their charge, its derivative and the amplitude of the voltage at the output of the detector, the reciprocal of which in scale corresponds to the capacitive current or conductivity of the network, respectively change.

В случае появления значительного смещения нейтрали из-за несимметрии фаз сети или в результате однофазного замыкания это напряжение смещения будет накладываться как на измеряемый с трансформатора напряжения полезный сигнал, так и на напряжение разряда конденсатора 2 за счет трансформации напряжения смещения в сигнальную обмотку реактора. В результате этих процессов при отсутствии блока синхронизации и второго дифференцирующего звена погрешность результата измерения будет примерно соответствовать величине напряжения естественного смещения нейтрали. In the event of a significant neutral bias due to the asymmetry of the network phases or as a result of a single-phase circuit, this bias voltage will be superimposed both on the useful signal measured from the voltage transformer and on the discharge voltage of the capacitor 2 due to the transformation of the bias voltage into the signal winding of the reactor. As a result of these processes, in the absence of a synchronization unit and a second differentiating element, the error of the measurement result will approximately correspond to the value of the voltage of the natural neutral bias.

Для того чтобы исключить влияние трансформируемого в сигнальную обмотку напряжения смещения на разряд конденсатора 2, блок синхронизации отслеживает это напряжение смещения и обеспечивает разряд конденсатора в момент перехода напряжения смещения через нуль. Причем контроль перехода напряжения через нуль можно вести и с трансформатора напряжения, и с сигнальной обмотки реактора, и по второй производной этого напряжения, проходящей через нуль одновременно. In order to exclude the influence of the bias voltage being transformed into the signal winding on the discharge of the capacitor 2, the synchronization unit monitors this bias voltage and ensures the discharge of the capacitor at the moment the bias voltage passes through zero. Moreover, the control of voltage transition through zero can be carried out both from the voltage transformer and from the signal winding of the reactor, and along the second derivative of this voltage passing through zero simultaneously.

Однако при этом в момент разряда первая производная напряжения смещения на выходе первого дифференцирующего звена будет иметь максимум и от полезного сигнала, и от напряжения естественного смещения нейтрали (когда синусоидальное напряжение смещения проходит через нуль, его производная имеет максимум). Их наложение дает ту же погрешность, а выделение полезного сигнала на фоне значительной помехи представляет серьезные аппаратные затруднения. However, at the moment of discharge, however, the first derivative of the bias voltage at the output of the first differentiating link will have a maximum both from the useful signal and from the voltage of the natural neutral bias (when the sinusoidal bias voltage passes through zero, its derivative has a maximum). Their superposition gives the same error, and the selection of a useful signal against a background of significant interference presents serious hardware difficulties.

Но при этом вторая производная, получаемая на выходе второго дифференцирующего звена, свободна от помехи, поскольку эта вторая производная напряжения нейтрали проходит через нуль одновременно с переходом через нуль "естественного" синусоидального напряжения смещения нейтрали. В результате полезный сигнал от разряда конденсатора, длительность которого значительно меньше одной миллисекунды, беспрепятственно получается и обрабатывается в блоке 7 с помощью дифференцирующих звеньев, амплитудного детектора и делителя независимо от наличия и уровня напряжения смещения нейтрали промышленной частоты и кратных ей гармоник. But at the same time, the second derivative obtained at the output of the second differentiating element is free from interference, since this second derivative of the neutral voltage passes through zero simultaneously with the transition of the "natural" sinusoidal neutral bias voltage through zero. As a result, a useful signal from a capacitor discharge, the duration of which is significantly less than one millisecond, is freely obtained and processed in block 7 using differentiating links, an amplitude detector, and a divider, regardless of the presence and level of the bias voltage of the industrial frequency neutral and its multiple harmonics.

Таким образом, блок синхронизации БС и второе дифференцирующее звено ДЗ 2 исключают погрешности от влияния напряжения смещения нейтрали промышленной частоты и высших гармоник, позволяя принципиально вести измерение и в режиме однофазного замыкания на землю. Делитель Д обеспечивает получение величины, обратно пропорциональной амплитуде второй производной на выходе амплитудного детектора АД и прямо пропорциональной емкости, емкостному току и емкостной проводимости сети (чем больше емкость сети и ее проводимость, тем меньше измеряемый полезный сигнал с трансформатора напряжения и скорость его нарастания, но тем больше его обратная величина на выходе делителя). Thus, the BS synchronization unit and the second differentiating element DZ 2 exclude errors from the influence of the bias voltage of the neutral of the industrial frequency and higher harmonics, making it possible in principle to measure in the single-phase earth fault mode. Divider D provides a value inversely proportional to the amplitude of the second derivative at the output of the amplitude detector AD and directly proportional to the capacitance, capacitive current and capacitive conductivity of the network (the larger the network capacity and its conductivity, the lower the measured useful signal from the voltage transformer and its slew rate, but the greater its reciprocal value at the output of the divider).

При этом в принципе неважно, какими стандартными средствами достигается передача импульса разряда конденсатора в нейтраль сети и получается обратная связь от напряжения на нейтрали. При отсутствии ДГР или сигнальной обмотки в нем импульсный источник непромышленной частоты может подключаться к нейтрали через отдельный трансформатор (существующий на подстанции или дополнительный) с соответствующей схемой соединения. Трансформатор напряжения также может быть любым, в том числе состоящим из группы однофазных. In this case, in principle, it does not matter what standard means the transfer of the capacitor discharge pulse to the neutral of the network is achieved and the feedback from the voltage to the neutral is obtained. If there is no GDR or signal winding in it, the pulse source of non-industrial frequency can be connected to the neutral via a separate transformer (existing at the substation or additional) with the corresponding connection diagram. The voltage transformer can also be any, including consisting of a group of single-phase.

Предлагаемое устройство для измерения емкости сети с изолированной нейтралью было реализовано автором в макетных образцах и проверено совместно с сетью. Испытания показали высокую точность измерения емкости и подтвердили описанные характеристики. Реализация предлагаемого изобретения не представляет затруднений как на дискретной полупроводниковой, так и на цифровой элементной базе. The proposed device for measuring the capacity of a network with an isolated neutral was implemented by the author in prototypes and tested together with the network. Tests showed high accuracy in measuring capacitance and confirmed the described characteristics. The implementation of the invention does not present difficulties 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

A device for measuring the capacitance of a network with an isolated neutral containing a non-industrial frequency source connected to the network via a signal coil of an extinguishing reactor or a separate transformer and a voltage transformer with a winding connected in an open triangle, characterized in that the non-industrial frequency source contains a charging unit charging connected to it the output is a capacitor, which is periodically discharged through the managed switch to the signal winding of the arcing reactor or winding an individual transformer, and a signal proportional to the network capacitance is obtained from the output of the voltage transformer winding connected in an open triangle, through the first differentiating link, the second differentiating link, the amplitude detector and the divider, the synchronization unit connected to the second differentiating input by it link, and the output - with a controlled switch, provides a discharge of the capacitor through the managed switch at the time of the transition of the neutral bias voltage and its second derivative through zero.