Устройство для измерения несимметрии напряжений

 

Применение: устройство относится к электроизмерениям, в частности к измерениям параметров качества электроэнергии в системах электроснабжения и может быть использовано для определения долевого вклада потребителей в несимметрию напряжений электросистемы. Сущность изобретения: устройство содержит входной блок 1, шунт 2, два фильтра (5 и 6) симметричных составляющих обратной последовательности, два избирательных усилителя (7 и 8), два детектора (9 и 10), фазометр 11, три аналого-цифровых преобразователя (12,13 и 14), три отсчетных блока (15,16 и 17) с соответствующими связями. 3 ил.

Изобретение относится к электроизмерительной технике, а именно к устройствам измерения несимметрии напряжений трехфазных систем.

Известно устройство для измерения амплитудно-фазовой несимметрии трехфазной системы переменных напряжений, содержащее трехфазный генератор модулирующих напряжений, модуляторы, блоки фазового сдвига, выходной фильтр, датчик знака приращений входного сигнала фильтра, логических ячеек, дешифратора, двоичного счетчика, генератора импульсов сдвига (1). К недостаткам устройства следует отнести невозможность определения им долевого участия потребителей в ухудшении несимметрии напряжений.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство для измерения параметров несимметрии. Это серийно выпускаемый прибор "Измеритель несимметрии типа 43204" (2), содержащий входное устройство, шунт, блок преобразования составляющих обратной последовательности первой гармоники, состоящий из последовательно соединенных фильтра симметричных составляющих обратной последовательности, избирательного усилителя и детектора, блока отображения сигнала, состоящего из аналого-цифрового преобразователя и отсчетного устройства, фазометра, блока управления и усилителя самописца. Входное устройство подключается к трехфазной сети, шунт включается последовательно в сеть, их выходы подключены к коммутатору, коммутатор выходом подключен к блоку преобразования обратной последовательности первой гармоники, состоящему из фильтра симметричных составляющих обратной последовательности, избирательного усилителя, детектора, к фильтру симметричных составляющих подключен его блок коррекции, который в свою очередь подключен к блоку управления, служащему для управления работой блока коррекции, один вход блока управления подключен к фазометру, вторым входом фазометр подключен к выходу избирательного усилителя. Выход блока преобразования обратной последовательности первой гармоники и выход фазометра подключены на различные входы блока отображения сигналов.

Данный прибор предназначен для определения показателей качества электроэнергии, и в частности коэффициента обратной последовательности напряжений (К_2U), который равен отношению: где U₂, U_ном соответственно напряжение обратной последовательности и номинальное напряжение.

Зная коэффициент К₂U, можно определить долевое участие потребителей в ухудшении несимметрии напряжений по формуле (1) где D долевое участие потребителей в ухудшении несимметрии напряжений; K^от_2U^кл, K^вк_2U^л коэффициент обратной последовательности напряжений соответственно при отключенном и при включенном потребителе.

Однако таким прибором невозможно измерить долевое участие при непрерывной работе потребителей, что, в свою очередь, влияет на точность измерения. Это объясняется тем, что любая система электроснабжения является динамичной системой, а так как между отключенным и включенным состоянием потребителя имеется определенный промежуток времени, то в системе могут произойти изменения, не связанные с данным потребителем, что приводит к случайной погрешности, оценить которую невозможно.

Цель изобретения определение параметров качества электроэнергии при непрерывной работе потребителей, что позволяет определить долевое участие потребителя в ухудшении несимметрии напряжений.

Указанная цель достигается тем, что устройство для измерения параметров несимметрии содержит последовательно соединенные второй фильтр симметричных составляющих обратной последовательности и второй избирательный усилитель, последовательно соединенные второй детектор, второй аналого-цифровой преобразователь и второй отсчетный блок, последовательно соединенные третий аналого-цифровой преобразователь и третий отсчетный блок, причем первый, второй, третий входы шунта соединены с соответствующими входами второго фильтра симметричных составляющих обратной последовательности, выход второго избирательного усилителя подключен к входу второго детектора и второму входу фазометра, вход которого соединен с входом третьего аналого-цифрового преобразователя.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что фазометр, аналого-цифровой преобразователь, отсчетное устройство широко известны.

Однако при введении в указанной связи с другими элементами схемы в заявляемое устройство для измерения параметров несимметрии, устройство приобретает новые возможности, т.е. с помощью него можно определять долевое участие потребителя, работающего непрерывно, в ухудшении несимметрии напряжений. Следовательно, совокупность существенных признаков по достигаемому положительному эффекту дает возможность сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию "существенные отличия".

Устройство позволяет определять параметры несимметрии, такие как: напряжение обратной последовательности (U₂) и ток обратной последовательности (I₂), а также, благодаря вновь введенным блокам и связям, и фазовый угол между ними /ϕ₂/.

Измерение дополнительно значения угла используют для расчета долевого участия потребителей в ухудшении несимметрии в выражении: где D долевое участие; U₂, I₂ напряжение и ток обратной последовательности, В, А; U_ном номинальное напряжение, В;
S_кз мощность короткого замыкания, В, А;
ϕ₂ угол между
Эта формула вытекает из формулы (1).

Согласно ГОСТ 13109-87

где U₂ действительное значение напряжений обратной последовательности основной частоты 3-х фазной системы напряжений, В;
U_ном номинальное напряжение сети, В.

Подставив (3) в (1) и произведя математические преобразования, получим:

где U^о₂^ткл, U^в₂^кл действующее значение напряжений обратной последовательности основной частоты, соответственно при отключенном и при включенном потребителе, В.

Далее составляется классическая схема электроснабжения потребителей, представленная на фиг. 2. Согласно этой схеме можно составить уравнение:

Для того, чтобы формулу (5) привести к формуле (4), необходимо левую и правую часть уравнения разделить на , получится:

Если взять модуль от левой части, то выражение будет соответствовать отношению в формуле (4), т.е.

Это объясняется тем, что при отключении потребителя напряжение на ГРБТ будет равно электродвижущей силе (ЭДС). Однако для того, чтобы уровнять левую и правую часть уравнения (6) необходимо взять модуль и от правой части в этом случае выражение (6) примет вид:

В уравнении (8) можно представить реактивным сопротивлением (Х), так как в системах электроснабжения активное сопротивление (Z) много меньше Х, а следовательно, им можно пренебречь
Z_2c jx_2с, (9)
однако

следовательно,

Для преобразования тока и напряжения обратной последовательности // из векторной формы в алгебраическую строится векторная диаграмма на один из возможных случаев, которая представлена на фиг. 3.

Согласно фиг. 3:


Подставляя (11), (12), (13) в (8), получим:

Согласно фиг. 3 можно сделать вывод, что сумма углов ϕ, v_I2 и (-ϕ_U2) всегда будет равна углу между векторами , это вытекает из соображений, что изменяясь, углы ϕ, ϕ_I2 и (-ϕ_U2) изменяют на такую же величину, только противоположного знака, и угол ϕ₂.

Для облегчения дальнейших преобразований обозначим

тогда

Приводится выражение под знаком модуля в тригонометрическую форму

Находится модуль

Производим преобразование подкоренного выражения


Подставляя (15) в (20), получим:

Подставляя это выражение в (14) и учитывая формулу (7), получим исходную формулу (2):

Таким образом, измерив данным прибором параметры несимметрии U₂ и I₂ и угол между ними ϕ₂, можно определить долевое участие потребителя в ухудшении несимметрии напряжений. Параметры U_ном, S⁽¹_кз⁾, S⁽³_кз⁾ обычно известны, либо определяются известным методом.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства;
на фиг. 2 изображена классическая схема электроснабжения потребителей.

На схеме приняты следующие обозначения:
ГРБП граница раздела балансовой принадлежности;
Е_2c, E_2п ЭДС обратной последовательности соответственно системы и потребителя, В.

U₂, I₂ напряжение и ток обратной последовательности, В,А.

На фиг. 3 изображен один из возможных случаев взаиморасположения векторов и приняты следующие обозначения:
U₁, U₂ напряжения прямой и обратной последовательностей, В,
I₁, I₂ токи прямой и обратной последовательностей, А;
а также обозначены углы между ними.

Устройство для измерения параметров несимметрии напряжений содержит входной блок 1, шунт 2, два блока 3,4 преобразования обратной последовательности первой гармоники, два фильтра 5 и 6 симметричных составляющих, два избирательных усилителя 7 и 8, два детектора 9 и 10, фазометр 11, три аналого-цифровых преобразователя 12,13 и 14 и три отсчетных блока 15,16 и 17.

Устройство работает следующим образом.

Параметры трехфазного напряжения сети через входной блок 1, а параметры трехфазного тока через шунт 2 приводятся к одному уровню и подаются на блоки преобразования составляющих обратной последовательности первой гармоники 3 и 4 соответственно, на выходах этих блоков пропорционально составляющим обратной последовательности первой гармоники формируется сигнал постоянного напряжения, уровень которого пропорционален уровню этой составляющей. Блоки 3,4 преобразования работают аналогично: с выходов блоков 1 (или 2) сигнал поступает на фильтр 5 (или 6) симметричных составляющих, где производится выделение составляющей обратной последовательности, с выхода этого блока сигнал поступает на избирательный усилитель 7 (или 8), где происходит выделение первой гармоники, детектор 9 (или 10) производит преобразование сигнала переменного напряжения в сигнал постоянного напряжения, одновременно сигналы переменного напряжения с выходов блоков 7 и 8, входящих в состав блоков 3 и 4, поступают на фазометр 11, который, сравнивая разницу во времени между прохождениями через нулевой уровень сигналов с обоих блоков, формирует на своем выходе сигнал постоянного напряжения, пропорциональный этой разнице. Сигналы постоянного напряжения с блоков 3,4,11 подаются на соответствующие аналого-цифровые преобразователи 12,13 и 14, которые преобразуют сигнал постоянного напряжения в коды, которые подаются на отсчетные блоки 15,16 и 17.

Таким образом, подключив устройство в сеть на ГРБП, получим на выходах блоков 15-17, соответственно, значения напряжения обратной последовательности (U₂), тока обратной последовательности (I₂) и значение фазового сдвига между ними (ϕ₂), а зная данные параметры несимметрии, можно вычислить долевое участие по приведенной ранее формуле.

Формула изобретения

Устройство для измерения несимметрии напряжений, содержащее последовательно соединенные входной блок, первый фильтр симметричных составляющих обратной последовательности и первый избирательный усилитель, последовательно соединенные первый детектор, первый аналого-цифровой преобразователь и первый отсчетный блок, а также шунт и фазометр, причем выход первого избирательного усилителя соединен с входом первого детектора и первым входом фазометра, отличающееся тем, что, с целью определения параметров качества электроэнергии при непрерывной работе потребителя, в него введены последовательно соединенные второй фильтр симметричных составляющих обратной последовательности и второй избирательный усилитель, последовательно соединенные второй детектор, второй аналого-цифровой преобразователь и второй отсчетный блок, последовательно соединенные третий аналого-цифровой преобразователь и третий отсчетный блок, причем первый, второй, третий выходы шунта соединены с соответствующими входами второго фильтра симметричных составляющих обратной последовательности, выход второго избирательного усилителя подключен к входу второго детектора и второму входу фазометра, выход которого соединен с входом третьего аналого-цифрового преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3