Измерения и управление в электрических сетях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Уральский Федеральный Университет

Физико-технологический институт

Кафедра экспериментальной физики

Реферат

по теме "Измерения и управление в электрических сетях"

Екатеринбург, 2014



Введение

Производство и быт нынешнего дня немыслимы без использования электрической энергии. Такое широкое использование электрической энергии связано с рядом преимуществ при её использовании:

· Сравнительная простота передачи и распределения эл. энергии между потребителями

· Сравнительная простота преобразования энергии в другие виды

· Низкие потери при передаче и распределении энергии

За производство и сбыт электроэнергии отвечает крупная отрасль энергетики, именуемая электроэнергетикой.

Электроэнергетика - раздел энергетики, обеспечивающий электрификацию страны на основе рационального расширения производства и использования электрической энергии.

Основные технологические процессы в электроэнергетике

· Генерация электроэнергии -- процесс преобразования различных видов энергии в электрическую на индустриальных объектах, называемых электрическими станциями.

· Передача и распределение электрической энергии - процесс передачи электроэнергии от источника (генератора электростанции) до потребителя.

· Потребление электрической энергии - конечное использование эл.энергии потребителем.

Потребитель электрической энергии - Электроприемник или группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории.

Все вышеуказанные процессы требуют постоянного контроля и регулирования их протекания. Практически всегда при этом требуется высокая скорость и точность измерений и производимых, на их основании регулировок. Это достигается путём использования в электроэнергетике автоматики. Использование автоматики повышает надёжность энергетических систем, их безопасность, качество электроэнергии, вырабатываемой и передаваемой в них, а также позволяет сократить число персонала, обслуживающего энергетическую систему.

Сегодня большинство применяемых в автоматике устройств - электронные. Это связано с тем, что электронные устройства имеют ряд преимуществ перед традиционными электрическим и электромеханическими:

· Высокая Точность

· Высокое Быстродействие

· Долговечность

· Низкое энергопотребление

· Решение большего круга задач

В данной работе более подробно будет рассмотрен процесс передачи распределения электрической энергии в электросети, контроль за правильным протеканием и управление им.



1. Электрическая сеть

Передача и распределение электроэнергии осуществляется электрической сетью - совокупностью электроустановок, состоящей из подстанций, воздушных и кабельных линий электропередачи, токопроводов. электропроводок, работающих па определенной территории. Как составной элемент энергетической и электроэнергетической систем (ЭЭС), электрическая сеть обеспечивает прием электроэнергии от электростанций, ее передачу на различные расстояния, преобразование параметров электроэнергии на подстанциях и распределение электроэнергии по определенной территории, вплоть до непосредственных потребителей.

Электрическая сеть должна проектироваться и эксплуатироваться таким образом, чтобы обеспечивалась ее работоспособность во всех возможных режимах - нормальных, ремонтных, послеаварийных. Параметры режима электрической сети (частота, токи ветвей, напряжения в узлах) должны лежать в допустимых пределах, обеспечивая нормальные условия работы электрооборудования сети и приемников электроэнергии.

Такие параметры режима, как отклонения частоты и напряжения от номинальных значений, характеризуют качество поставляемой потребителям электроэнергии. Эти параметры должны соответствовать требованиям ГОСТ 13109-97, который регламентирует качество электроэнергии.

Наличие определенных технических требований к параметрам режима вызывает необходимость их контроля и регулирования в процессе эксплуатации и выбора средств регулирования этих параметров на этапе проектирования электрической сети.

Определение параметров режима на стадии проектирования развития электрической сети составляет задачу расчета ее установившихся режимов. Расчетная схема электрической сети состоит из схем замещения отдельных ее элементов и характеризует взаимную связь этих элементов. Исходными данными для расчетов служат мощности потребителей электроэнергии и значения напряжения в отдельных узлах электрической сети.

Электрическая сеть должна обеспечивать требуемую степень надежности электроснабжения потребителей в соответствии с «Правилами устройства электроустановок» . Эти правила делят все электроприемники на категории в отношении обеспечения надежности электроснабжения. Каждая категория электроприемников характеризуется последствиями, вызываемыми перерывом электроснабжения. При известном составе потребителей электроэнергии на стадии проектирования развития электрической сети решается вопрос о необходимости или экономической целесообразности резервирования питания.

Электрическая сеть должна быть гибкой, т.е. приспособленной для разных режимов распределения мощности, возникающих в результате изменений нагрузок потребителей, а также приспособленной для плановых и аварийных отключений отдельных элементов сети. Схема электрической сети должна обеспечивать возможность ее последующего развития без коренных изменений. электрический ток автоматика цифровой

2. Структура электросети



На схеме: ЭС - электростанция, Тр1-повышающий трансформатор 5/110 кВ, ВЛ - воздушная линия, РУ - распределительное устройство, ПКЛ,РКЛ,КЛ - кабельные линии,Тр2-понижающий трансформатор 100/35 кВ, РП-распределительный пункт,ТП-трансформаторная подстанция,Тр3- понижающий трансформатор 35/10 кВ



Линия электропередачи (ЛЭП), сооружение, состоящее из проводов и вспомогательных устройств, предназначенное для передачи или распределения электрической энергии. ЛЭП, являясь основным звеном энергосистемы, вместе с электрическими подстанциями образует электрические сети.

Различают воздушные и кабельные линии электропередачи.

Более подробно рассмотрим составную часть электросети - Воздушную Линию Электропередачи 110 кВ.

Воздушная линия

По воздушным ЛЭП электрическая энергия передаётся на значительные расстояния по проводам, прикрепленным к опорам (столбам) с помощью изоляторов. Воздушные ЛЭП являются одним из основных звеньев современных энергосистем. Напряжение в линии зависит от её протяжённости и передаваемой по ней мощности. Для воздушных ЛЭП применяют неизолированные провода (однопроволочные, многопроволочные и полые) из меди, алюминия, сталеалюминия, реже стальные (главным образом при электрификации сельских местностей). Важнейшие характеристики воздушных ЛЭП: l -- длина пролёта линии (расстояние между соседними опорами); f -- наибольшая стрела провеса провода в пролёте; h -- наименьшее (габаритное) допустимое расстояние от низшей точки провода до земли; l -- длина гирлянды изоляторов; a -- расстояние между соседними проводами (фазами) линии; Н -- полная высота опоры. Конструктивные параметры воздушной ЛЭП зависят от номинального напряжения линии, от рельефа и климатических условий местности, а также от технико-экономических требований.

Допустимое расстояние от низшей точки провода до земли составляет в ненаселённой местности 5--7 м,а в населённой 6--8 м.

На воздушных ЛЭП применяют различные по конструкции опоры.Провода воздушных ЛЭП должны обладать хорошей проводимостью, механической прочностью, стойкостью против атмосферных и химических воздействий. Для защиты воздушных ЛЭП от атмосферных перенапряжений, возникающих при грозовых разрядах в линию или вблизи неё, применяют грозозащитные тросы или разрядники, которые устанавливают на ЛЭП с напряжением до 35 кв.

Для воздушных ЛЭП (переменного тока) в СССР принята следующая шкала напряжений: 35, 110, 150, 220, 330, 400, 500 и 750 кв. Напряжение 35 кв широко используется для создания центров питания электрических сетей (6 и 10 кв); общая протяжённость ЛЭП на 35 кв к 1972 составляла 189 тыс. км.Распределит. сети большинства энергосистем имеют напряжение 110 кв; протяжённость ЛЭП 110 кв --197 тыс. км. Напряжение 150 кв используется в распределительных сетях энергосистемы Днепроэнерго и примыкающих к ней районов соседних энергосистем -- Киевской, Харьковской и Одесской, а также частично в Кольской энергосистеме; общая протяжённость ЛЭП 150 кв -- 6,2 тыс. км. ЛЭП протяжённостью порядка 100 км сооружают на напряжение 220--330 кв; их общая длина около 70 тыс. км. Напряжение 400 кв в 1972 использовалось только в Объединённой энергосистеме (ОЭС) Юга для связи с энергосистемами стран -- членов СЭВ. ЛЭП с напряжением 500 кв сооружают главным образом для передачи электроэнергии на большие расстояния (св. 100 км); общая протяжённость ЛЭП 400--500 кв --около 15 тыс. км. В 1972 на напряжении 750 кв действовала только одна опытная ЛЭП Конаковская ГРЭС-- Москва; первая промышленная передача 750 кв сооружается в ОЭС Юга. Развитие сетей с напряжением 750 кв приведёт к превращению сети 330 кв в распределительную. Примером крупнейшей ЛЭП может служить ЛЭП 500 кв Волжская ГЭС им. 22-го съезда КПСС -- Москва общей протяжённостью 2060 км (в одноцепном исчислении). За рубежом одна из крупнейших ЛЭП -- электропередача 500 кв(переменного тока) между энергосистемами Северо-Запада и Юго-Запада Тихоокеанского побережья США общей протяжённостью 1070 км (в одноцепном исчислении); ЛЭП 765 кв действует в США в энергосистеме American Electric Power (AEP), а в Канаде эксплуатируется ЛЭП на 735 кв ГЭС Маникуаган -- Квебек -- Монреаль.

3. Классификация ВЛ

1. По роду тока

· ВЛ переменного тока

· ВЛ постоянного тока

Линия электропередачи постоянного тока Волгоград-Донбасс (Ростовская и Волгоградская область)

В основном, ВЛ служат для передачи переменного тока и лишь в отдельных случаях (например, для связи энергосистем, питания контактной сети и другие) используются линии постоянного тока. Линии постоянного тока имеют меньшие потери на емкостную и индуктивную составляющие. В СССР было построено несколько линий электропередачи постоянного тока:

· Высоковольтная линия постоянного тока Москва-Кашира - Проект «Эльба»,

· Высоковольтная линия постоянного тока Волгоград-Донбасс,

· Высоковольтная линия постоянного тока Экибастуз-Центр, и т.д.

Широкого распространения такие линии не получили.

2. По назначению

· Сверхдальние ВЛ напряжением 500 кВ и выше (предназначены для связи отдельных энергосистем).

· Магистральные ВЛ напряжением 220 и 330 кВ (предназначены для передачи энергии от мощных электростанций, а также для связи энергосистем и объединения электростанций внутри энергосистем -- к примеру, соединяют электростанции с распределительными пунктами).

· Распределительные ВЛ напряжением 35, 110 и 150 кВ (предназначены для электроснабжения предприятий и населённых пунктов крупных районов -- соединяют распределительные пункты с потребителями)

· ВЛ 20 кВ и ниже, подводящие электроэнергию к потребителям.

3. По напряжению

· ВЛ до 1000 В (ВЛ низшего класса напряжений)

· ВЛ выше 1000 В

· ВЛ 1-35 кВ (ВЛ среднего класса напряжений)

· ВЛ 110--220 кВ (ВЛ высокого класса напряжений)

· ВЛ 330--750 кВ (ВЛ сверхвысокого класса напряжений)

· ВЛ выше 750 кВ (ВЛ ультравысокого класса напряжений)

Эти группы существенно различаются, в основном -- требованиями в части расчётных условий и конструкций.

В сетях СНГ общего назначения переменного тока 50 Гц, согласно ГОСТ 721-77, должны использоваться следующие номинальные междуфазные напряжения: 380 В; (6), 10, 20, 35, 110, 220, 330, 500, 750 и 1150 кВ. Могут также существовать сети, построенные по устаревшим стандартам с номинальными межфазными напряжениями: 220 В, 3 и 150 кВ.

Самой высоковольтной ЛЭП в мире является линия Экибастуз-Кокчетав, номинальное напряжение -- 1150 кВ. Однако, в настоящее время линия эксплуатируется под вдвое меньшим напряжением -- 500 кВ.

Номинальное напряжение для линий постоянного тока не регламентировано, чаще всего используются напряжения: 150, 400 (Выборгская ПС -- Финляндия) и 800 кВ.

В специальных сетях могут использоваться и другие классы напряжений, в основном это касается тяговых сетей железных дорог (27,5 кВ, 50 Гц переменного тока и 3,3 кВ постоянного тока), метрополитена (825 В постоянного тока), трамваев и троллейбусов (600 В постоянного тока).

4. По режиму работы нейтралей в электроустановках

· Трёхфазные сети с незаземлёнными (изолированными) нейтралями (нейтраль не присоединена к заземляющему устройству или присоединена к нему через аппараты с большимм сопротивлением). В СНГ такой режим нейтрали используется в сетях напряжением 3--35 кВ с малыми токами однофазных замыканий на землю.

· Трёхфазные сети с резонансно-заземлёнными (компенсированными) нейтралями (нейтральная шина присоединена к заземлению через индуктивность). В СНГ используется в сетях напряжением 3-35 кВ с большими токами однофазных замыканий на землю.

· Трёхфазные сети с эффективно-заземлёнными нейтралями (сети высокого и сверхвысокого напряжения, нейтрали которых соединены с землёй непосредственно или через небольшое активное сопротивление). В России это сети напряжением 110, 150 и частично 220 кВ, в которых применяются трансформаторы (автотрансформаторы требуют обязательного глухого заземления нейтрали).

· Сети с глухозаземлённой нейтралью (нейтраль трансформатора или генератора присоединяется к заземляющему устройству непосредственно или через малое сопротивление). К ним относятся сети напряжением менее 1 кВ, а также сети напряжением 220 кВ и выше.

Показатели качества электроэнергии являются(Согласно ГОСТ 13109-97 ):

Отклонение напряжения - отличие фактического напряжения в установившемся режиме работы системы электроснабжения от его номинального значения.

ГОСТ 13109-97 устанавливает нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения dUу на выводах приемников электрической энергии равны соответственно ± 5% и ± 10 % от номинального напряжения электрической сети.

Колебания напряжения - быстро изменяющиеся отклонения напряжения длительностью от полупериода до нескольких секунд.

Источниками колебаний напряжения являются мощные электропри?мники с импульсным, резкопеременным характером потребления активной и реактивной мощности: дуговые и индукционные печи; электросварочные машины; электродвигатели при пуске.

Провалы напряжения

Внезапное и значительное снижение напряжения (менее 90% Uном) длительностью от нескольких периодов до нескольких десятков секунд с последующим восстановлением напряжения.

Причинами провалов напряжения является срабатывание средств защиты и автоматики при отключении грозовых перенапряжений, токов короткого замыкания (КЗ), а так же при ложных срабатываниях защит или в результате ошибочных действий оперативного персонала. ГОСТ 13109-97 не нормирует провал напряжения, он ограничивает его продолжительностью 30-ю секундами. Правда, эти явления, длительностью больше 30 секунд, практически не случаются - напряжение уже не восстанавливается.

Временное перенапряжение

Внезапное и значительное повышение напряжения (более 110% Uном) длительностью более 10 миллисекунд. Временные перенапряжения возникают при коммутациях оборудования (коммутационные, кратковременные) и при коротких замыканиях на землю. Длительные перенапряжения возникают в сетях с компенсированной нейтралью и четырехпроводных сетях при обрыве нейтрального провода (обрыв «0»), и в сетях с изолированной нейтралью при однофазном КЗ на землю.

Асимметрия напряжения происходит только в трехфазной сети под воздействием неравномерного распределения нагрузок по ее фазам.

Источниками асимметрии напряжений являются: дуговые сталеплавильные печи, тяговые подстанции переменного тока, электросварочные машины, однофазные электротермические установки и другие одно-фазные, двухфазные и несимметричные трёхфазные потребители электроэнергии, в том числе бытовые.

Однофазные, двухфазные потребители и разные фазы трёхфазных потребителей электроэнергии работают на различных не номинальных напряжениях, что вызывает те же последствия, как и при отклонении напряжения.

Нормально допустимое и предельно допустимое значение коэффициента асимметрии напряжений по нулевой последовательности в точках общего присоединения к четырехпроводным электрическим сетям с номинальным напряжением 0,38 кВ равны 2,0% и 4,0% соответственно.

Несинусоидальность напряжения - искажение синусоидальной формы кривой напряжения. Источниками несинусоидальности напряжения являются: статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки, газоразрядные осветительные и бытовые приборы и т.д. Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания имеют нелинейную вольтамперную характеристику.

Несинусоидальность напряжения характеризуется : - Коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения; - Коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования: выходят из строя компьютеры, пробиваются конденсаторы, неправильно срабатывают устройства управления и защиты.

Отклонение частоты

Отклонение фактической частоты переменного напряжения от номинального значения в установившемся режиме работы системы электроснабжения.

Нормы допустимого и предельно допустимого значение отклонения частоты равны ±0,2 и ±0,4 Гц соответственно. Снижение частоты происходит при дефиците мощности работающих в системе электростанций.

Повышение частоты происходит при резком сбросе нагрузки в системе электроснабжения.

Влияние отклонения частоты на работу электрооборудования:

Негативно сказывается на работе асинхронных электродвигателей (возрастает ток обмоток, двигатель греется, КПД снижается), несоответствие фазы(зависит от частоты) параллельно работающих генераторов приводит к снижению КПД и даже к выходу из строя генератора.

Импульсное перенапряжение

Импульсные перенапряжения возникают при грозовых явлениях и при коммутациях оборудования (трансформаторы, двигатели, конденсаторы, кабели). Величина импульсного перенапряженния зависит от многих условий, , но всегда значительна и может достигать многих сотен тысяч вольт.

Факторы, негативно влияющие на нормальную работу ВЛ и качество передаваемой электроэнергии:

ґ Отклонение частоты от номинального значения

ґ Увеличение силы тока выше номинального значения или КЗ

ґ Асимметрия токов фаз

ґ Природные электрические разряды во время грозы

ґ Возможность пробоя воздуха и возникновения коронного разряда

ґ Паразитная ёмкость проводников

ґ Взаимное влияние друг на друга токов, протекающих в соседних проводах трёхфазной сети

Для обеспечения контроля этих параметров (их измерения), а также их регулирования в электросетях применяют вспомогательные системы и устройства:

· система релейной защиты и автоматики

· система управления и сигнализации

Функциональная схема системы защиты содержит следующие основные органы:

Измерительный орган ИО, непрерывно контролирующий состояние защищаемого объекта и определяющий условия срабатывания (или несрабатывания) в соответствии со значениями параметров электрических сигналов, поступающих на его вход от измерительных преобразователей ИП.

Логический орган ЛО, формирующий логический сигнал при выполнении определенных условий.

Исполнительный орган Исп.О, формирующий на основе сигнала логического органа управляющее воздействие УВ на выключатель защищаемого объекта.

Дополнительно в схеме защиты предусматривается сигнальный орган СО, формирующий логические сигналы о срабатывании защиты.

4. Способы измерения силы тока

С использованием шунта

Для измерения силы тока последовательно в цепь с сопротивлением R включают амперметр А, считая, что R_Ш в цепи отсутствует (рис. 4). В цепях постоянного тока для этой цели применяются главным образом приборы магнитоэлектрической системы. В цепях переменного синусоидального тока используются преимущественно амперметры электромагнитной системы.

Последовательное включение амперметра А в измеряемую цепь обуславливается тем, что его внутреннее (собственное) сопротивление R_A практически равно нулю. Следовательно, наличие его в цепи никак не сказывается на истинное значение измеряемого тока I.

Для расширения предела измерения амперметра А магнитоэлектрической системы в цепях постоянного тока применяют шунты-сопротивления R_Ш, включаемые параллельно амперметру А. Шунты бывают внутренние и наружные. Амперметры на небольшие токи (до 30 А) часто имеют внутренние шунты. На большие токи (до 7500А) применяют наружные шунты.

Применение шунтов с электромагнитными, электродинамическими, ферродинамическими приборами нерационально, так как собственное потребление мощности сравнительно большое. В этом случае шунты получаются громоздкими и дорогостоящими. При включении шунтов на переменном токе возникает дополнительная погрешность, обусловленная зависимостью их сопротивления от частоты.

С использованием трансформатора тока

Расширение пределов измерения приборов может также осуществляться путем использования трансформатора тока ТА и трансформатора напряжения ТV, которые преобразуют большие токи и напряжения соответственно в токи и напряжения стандартной величины.

С использованием эффекта Фарадея.

Эффект Фарадея заключается во вращении плоскости поляризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля. Угол поворота плоскости поляризации света

где C_B -- постоянная Верде; l -- длина пути света в веществе; В - магнитная индукция.

Измеряя угол поворота плоскости поляризации света, можно определить индукцию магнитного поля или силу тока, если преобразователь поместить в магнитном поле измеряемого тока.

Уравнение, записанное выше, справедливо для составляющей индукции В_l, направленной вдоль пути света. Знак угла зависит от направления вектора магнитной индукции, но не зависит от направления света, что позволяет увеличить угол , если свет многократно пропускать через ячейку Фарадея. Как и в других методах, основанных на измерении магнитной индукции поля, создаваемого измеряемым током, при использовании эффекта Фарадея основными составляющими погрешности измерения тока являются погрешность преобразования измеряемого тока в магнитную индукцию и погрешность измерения магнитной индукции.

При использовании эффекта Фарадея измерение магнитной индукции сводится к измерению поворота плоскости поляризации света, которое обычно осуществляя методами прямого или уравновешивающего преобразования.

При применении метода прямого преобразования свет от лазера 1 направляется к преобразователю Фарадея 8.

При этом поляризатор 2 и анализатор 4 могут быть расположены непосредственно у магнитооптического образца, что позволяет использовать оптические каналы связи 5 в виде обычных волоконных световодов.

Выходным сигналом устройств, построенных на основе метода прямого преобразования, является фототок

или выходное напряжение.

где R_н -- сопротивление нагрузки фотоприемника; S_Ф -- чувствительность фотоприемника; J₂ -- интенсивность светового потока на входе фотоприемника, которая в соответствии с законом Малюса равна

здесь J₁ -- интенсивность света на входе анализатора; -- угол между поляризатором и анализатором; -- угол поворота плоскости поляризации, При =45



или при малых углах

При углах =7 погрешность линейности составляет 1%.

Показаны различные виды магнитооптических преобразователей Фарадея. Самый простой преобразователь состоит из магнитооптического элемента 2, располо женного у провода 1 с измеряемым током. Уменьшения влияния внешних магнитных полей и увеличения чувствительности средств измерений, основанных на использовании эффекта Фарадея, к току

можно достигнуть путем увеличения коэффициента преобразования

,

применяя соленоид или ферромагнитный магнитопровод 3 с магнитооптическим элементом 2, охватывающим провод 1 с измеряемым током. Однако использование таких преобразователей связано с ухудшением динамических характеристик прибора и появлением фазовых погрешностей, а у прибора с магнитопроводом -- погрешностей гистерезиса и линейности. Более рациональный путь повышения чувствительности -- увеличение длины пути прохождения светового луча в магнитооптическом элементе за счет многократного отражения или использование многовиткового магнитооптического преобразователя из гибкого волоконного световода. Этот преобразователь, так же как преобразователь, одновременно является своеобразным интегрирующим контуром, что позволяет установить однозначную зависимость между током и углом поворота плоскости поляризации света и исключить влияние внешних магнитных полей и неравномерного распределения тока внутри контура:

В качестве рабочего вещества для магнитооптических преобразователей применяются стекла, содержащие оксид свинца (флинты, кроны) и плавленый кварц. Особенно большую постоянную Верде имеют пленки из феррита-граната, удельное фарадеевское вращение плоскости поляризации света в которых на два-три порядка больше, чем в стеклах.

Микропроцессорные устройства автоматики

В электроэнергетических системах широкое распространение получили микропроцессорные устройства, позволяющие определять повреждения на линиях электропередачи по замеру с одной стороны. Это, прежде всего приборы типа МИР, ФПМ, МФИ и др., которые представляют собой специализированные микропроцессорные устройства, реализующие практически одинаковые алгоритмы. В качестве исходной информации используются три фазных тока и три фазных напряжения. Далее по специальному алгоритму определяются сопротивления до места повреждения.

Аналоговые сигналы от ТН и ТТ преобразуются промежуточными трансформаторами ПТН, ПТТ, частотными фильтрами ЧФ и подводятся к коммутирующему блоку К, обеспечивающему поочередную выборку мгновенных значений величин с выходов отдельных фильтров и запоминание на время, необхо В электроэнергетических системах широкое распространение получили микропроцессорные устройства, позволяющие определять повреждения на линиях электропередачи по замеру с одной стороны. Это, прежде всего приборы типа МИР, ФПМ, МФИ и др. [65], которые представляют собой специализированные микропроцессорные устройства, реализующие практически одинаковые алгоритмы. В качестве исходной информации используются три фазных тока и три фазных напряжения. Далее по специальному алгоритму определяются сопротивления до места повреждения.

Аналоговые сигналы от ТН и ТТ преобразуются промежуточными трансформаторами ПТН, ПТТ, частотными фильтрами ЧФ и подводятся к коммутирующему блоку К, обеспечивающему поочередную выборку мгновенных значений величин с выходов отдельных фильтров и запоминание на время, необходимое для правильной работы АЦП. В результате выходные сигналы АЦП соответствуют в цифровом виде дискретным сигналам, модулированным по амплитуде синусоидальными функциями. Таким образом, каждому аналоговому сигналу на выходе фильтра ЧФ соответствует аналоговый сигнал на входе АЦП и цифровой сигнал на выходе АЦП, вводимый в вычислительное устройство микропроцессора (ВУМП).

Кроме токов и напряжений к аналоговому входу АЦП могут быть подключены выходные напряжения блока задания уставок (БЗУ), регулируемые при настройке устройства. При этом наряду с возможностью ввода в ЭВМ информации о параметрах линий электропередач обеспечивается индикация.

Блок управления (БУ) обеспечивает выбор режима индикации. Блок индикации (БИ) обеспечивает возможность индикации результатов расчета и параметров уставок.

На основе текущей цифровой информации о входных сигналах переменного напряжения и тока вырабатывается информация о месте повреждения.

Информация о повреждении подается от трансформаторов тока и напряжения с традиционными уровнями 5 А, 1 А и 100 В. Такие уровни сигналов обеспечивают необходимую помехозащищенность, но совершенно неприемлемы для обработки в электронных схемах. Использование же датчиков с выходными сигналами, согласованными с требованиями электроники, наталкивается на необходимость либо резко ограничивать длину линий связи, размещая устройства вблизи датчиков информации, либо применять дополнительные меры по их защите от помех, таких как, экранирование, хотя это весьма дорого.

При подключении микропроцессорных устройств к традиционным датчикам тока и напряжения требуется приведение их сигналов к единому виду и диапазону изменения, приемлемому для обработки электронными узлами.

Наиболее часто входные согласующие преобразователи цифровых устройств выполняют на базе обычных электромагнитных трансформаторов с ферромагнитным сердечником.

Устройства релейной защиты (РЗ) и измерений получают информацию о защищаемой (анализируемой) сети в виде токов и напряжений. Эти токи и напряжения обычно бывают искажены. Возможно появление апериодической составляющей в переходных режимах, появление гармонических составляющих в нормальных режимах и т. д.

Для правильной работы большинства устройств РЗ и электроизмерений необходимо, чтобы на них подавались синусоидальные токи и напряжения основной (промышленной) частоты 50 Гц, либо, к примеру, для измерения токов третьей гармоники, необходимо, чтобы на устройство измерения был подан синусоидальный ток частоты 150 Гц. Но в любом случае, чаще всего мы не можем подавать на устройства РЗ и электроизмерений токи и напряжения «как есть» ? мы должны выделить составляющую необходимой частоты, а прочие составляющие удалить или ослабить. Составляющую необходимой частоты можно назвать «полезным сигналом», а все прочие составляющие - «помехами».

Фильтром называют устройство, выполняющее задачу отделения полезного сигнала от помехи.

Аналого-цифровые преобразователи

Практически все реально существующие физические явления и процессы описываются аналоговыми сигналами, непрерывно изменяющимися по величине во времени. Дискретный (цифровой) сигнал, в отличие от аналогового, имеет постоянное по величине значение для определенного промежутка времени.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) осуществляют преобразование аналоговой величины в цифровой код. В связи с тем, что АЦП имеют ограниченный допустимый диапазон изменения напряжения, необходимо дополнительное преобразование измеряемых аналоговых величин с помощью промежуточных преобразователей тока (ППТ) и промежуточных преобразователей напряжения (ППН).

АЦП преобразует аналоговую величину, обычно напряжение , в цифровой двоичный код. Рассмотрим в упрощенном виде наиболее распространенный способ построения АЦ. АЦП состоит из мультивибратора (МВ), генерирующего тактовые импульсы С, реверсивного счетчика (), подсчитывающего тактовые импульсы, цифро-аналогового преобразователя (ЦАП) и компаратора К.

На первый вход компаратора К подан входной аналоговый сигнал-напряжение . В момент схема включена в работу, исходное состояние счетчика . На выходе ЦАП - аналоговый эквивалент кода, записанного в счетчике, т. е. нулевой сигнал. При сигнал компаратора положительный, т. е. равный логической единице, этот сигнал подается на вход «+» счетчика, который работает на сложение. С каждым импульсом С при наличии на входе «+» логической единицы код счетчика начинает увеличиваться, пока сигнал ЦАП не превысит , после чего компаратор переключится, на вход «+» счетчика будет подаваться логический ноль, и счетчик перейдет в режим работы на вычитание. Очередной импульс С при наличии на входе «+» логического ноля уменьшает код счетчика, уменьшается сигнал , компаратор снова переключится и так далее. При этом значение напряжения на выходе ЦАП колеблется около значения . Напряжение на выходе ЦАП однозначно связано с двоичным кодом счетчика , в идеальном случае соответствует . Выходной сигнал АЦП снимается с разрядов реверсивного счетчика.

Каждый разряд двоичного кода имеет определенный «вес»; вес i-го разряда вдвое больше, чем вес (i - 1)-го. Работу ЦАП можно описать следующей формулой:

,

где е - опорное напряжение, соответствующее весу младшего разряда; Q_i - значение i-го разряда двоичного кода (0 или 1). Максимальное значение определяет разрядность АЦП, в данном случае приведен пример четырехразрядного АЦП. Например, числу 1001 в двоичной системе счисления соответствует выходное напряжение:

.



Одними из основных показателей АЦП являются шаг дискретизации (квантования сигнала) по уровню и интервал дискретизации по времени. Первый определяет точность представления в двоичном коде измеряемой величины, второй характеризует время обработки входного сигнала.

Процесс перехода от аналогового сигнала к дискретному называется дискретизацией или квантованием сигнала. Переход от непрерывного сигнала к дискретному всегда происходит с потерей некоторого количества информации.

Рассмотрим влияние шага дискретизации и квантования на точность преобразования аналоговой величины - напряжения. Шаг квантования в данном случае равен величине опорного напряжения .

Преобразование производится четырехразрядным АЦП, ? пятиразрядным АЦП, у которого шаг квантования уменьшен в два раза, а частота выборок увеличена в два раза по сравнению с четырехразрядным. В результате уменьшения в два раза шага дискретизации и интервала дискретизации преобразование аналогового сигнала увеличивается.

АЦП, преобразующие аналоговый сигнал в цифровой последовательно, начиная с младшего значащего разряда до цифрового кода на выходе, соответствующего уровню входного аналогового сигнала, относятся к АЦП последовательного приближения со счетчиком. На многоразрядный счетчик поступает тактовая частота от генератора, который запускается в момент выборки входного аналогового сигнала. Выход счетчика управляет схемой ЦАП, вырабатывающей ступенчато нарастающее напряжение. В момент, когда выходное напряжение схемы ЦАП будет равно входному напряжению, компаратор остановит счетчик, содержимое которого будет соответствовать входному аналоговому сигналу. Наибольшее время преобразования здесь



где q - время элементарной ступени (интервал дискретизации), -число разрядов.

5. Методы преобразования аналоговых сигналов

Существует несколько методов преобразования аналоговых сигналов: метод последовательного приближения, метод параллельного преобразования и метод двукратного интегрирования. Первый метод обеспечивает удовлетворительное сочетание точности и быстродействия, второй - возможность достижения высокого быстродействия, третий - точность.

Метод последовательного приближения. Упрощенная структура АЦП последовательного приближения.

Получив команду на выполнение преобразования от генератора тактовых импульсов, регистратор последовательного приближения (РПП) устанавливает напряжение логической единице в первом разряде ЦАП. Если при этом , то компаратор напряжения (КН) выдает в РПП команду оставить напряжение логической единице в первом разряде ЦАП и подать пропорциональное напряжение на второй разряд ЦАП. Если после этого , то КН выдает в РПП команду оставить напряжение логической единице во втором разряде ЦАП и подать напряжение логической единице на третий разряд. Если же оказалось , то КН выдает в РПП команду установить во втором разряде логической ноль, а на третий разряд подать напряжение логической единице. Затем описанный выше алгоритм работы блоков АЦП повторится и так далее до -го разряда ЦАП. Работа АЦП синхронизируется тактовым генератором. После тактов сравнения с на входе ЦАП получается -разрядный двоичный код, который является цифровым эквивалентом входного аналогового сигнала.

Метод параллельного преобразования. Упрощенная структура АЦП параллельного преобразования.

Основными элементами N-разрядного АЦП являются 2^N - 1 компараторы напряжения. На один из двух дифференциальных входов каждого компаратора подается индивидуальное опорное напряжение. Такое опорное напряжение для каждого компаратора формируется внутренним резисторным делителем. Разность между напряжениями двух ближайших компараторов равна U_ОП/2^N. На другие входы компаратора подается входной сигнал. На выходах компараторов устанавливаются напряжения лог.0 и лог.1, соответствующие сигналам на входах в момент прихода фронта тактового импульса. Длительность импульса лежит в пределах 0,1…1 нс.

После окончания импульса опроса с помощью триггера-защелки хранится мгновенное значение аналогового входного сигнала, представление на выходах компараторов в виде - разрядного цифрового слова. Дешифратор представляет это слово в виде двоичного -разрядного кода, а затем по команде дешифрированное слово записывается в выходной регистр. Поскольку каждая из градаций входного сигнала кодируется отдельным компаратором, то время преобразования в таком АЦП определяется временем переключения компаратора и задержкой дешифратора и, следовательно, сравнительно невелико. Однако высокое быстродействие достигается ценой значительных аппаратных затрат и большой потребляемой мощностью. Например, для 8-разрядного параллельного АЦП требуется 255 компараторов, а всего около активных элементов. Потребляемая мощность около 3 Вт.

В АЦП последовательного приближения и аналогичных им по быстродействию (следящих или использующих ступенчатое приращение напряжения) существенное влияние на точность работы оказывает постоянство входного аналогового сигнала за время его преобразования в цифровой код. Чем длительнее время преобразования, тем большее влияние на его точность могут оказать изменения напряжения питания, помехи и шумы. Источником их является в первую очередь устройство выборки и хранения информации (УВХ), практически всегда используемое на входе АЦП указанных типов. В режиме выборки УВХ выполняют функцию буферного повторителя, исключающего влияние выходного сопротивления источника аналогового сигнала. По команде цифрового сигнала УВХ переходит в режим хранения, и на выходе сохраняется значение входного напряжения, достигнутое в момент подачи команды. Изменение этого напряжения из-за нестабильности напряжения питания УВХ, помех, вызванных переключением цифровых схем в приборе, и из-за шумов в УВХ приводит к тому, что реальная точность преобразования выпускаемых серийно АЦП указанных типов не превышает 12 разрядов.

Метод двукратного интегрирования. Существенно большую точность преобразования обеспечивают АЦП, у которых выходной цифровой код определяется интегральным или средним значением аналогового сигнала в течение некоторого интервала времени. Такие АЦП, содержащие на входе интегратор, обеспечивают высокую точность преобразования при обработке аналоговых сигналов в присутствии высокочастотных помех с частотой

где Т_И - период интегрирования. Если значение Т_И кратно периоду изменений переменной составляющей напряжения питания АЦП, то исключается влияние нестабильности питания на точность преобразования. Это объясняется тем, что значение интеграла от синусоидального сигнала равно нулю, если интегрирование осуществляется во временном интервале, кратном периоду изменения синусоиды.

Обеспечивая более высокую точность, чем рассмотренные выше АЦП, а также имея сравнительно простую структуру, интегрирующие АЦП оказались приемлемыми для изготовления в виде полупроводниковых БИС. Их главным недостатком является большое время преобразования (1…100 мс). В современных полупроводниковых АЦП этого типа используется обычно метод двухтактного интегрирования и его модификация с нелинейной обратной связью.

Преобразование осуществляется в два этапа. Сначала к входу интегратора А1 подключается преобразуемое входное напряжение. Если в течение заданного времени интегрирования напряжения его величина остается постоянной, то напряжение линейно уменьшается (при ) от нуля до некоторой величины. Для этого перед первым этапом преобразования интегратор сбрасывают, т. е. устанавливают на ноль его входное напряжение .

Затем вместо аналогового сигнала к входу интегратора подключается опорное напряжение . Полярность опорного напряжения должна быть противоположной полярности преобразуемого аналогового сигнала. Состоянием переключателя S1 управляет логическое устройство. После подключения к входу интегратора напряжение , изменяясь линейно, стремится к нулю. По истечении времени достигается напряжение , что фиксируется переключением выходного напряжения компаратора А2, управляющего работой логического устройства. Время прямо пропорционально среднему значению преобразуемого аналогового сигнала за период . Длительность интервала определяется числом тактовых импульсов с периодом . Аналогично длительность интервала определяется числом тактовых импульсов . В общем виде описанное изменение выходного напряжения интегратора в течение времени можно записать следующим образом:

.

Подставив в это выражение указанные выше величины и , получим

.

Преобразование аналоговых величин с большой амплитудой изменения. Структуру, обеспечивающую преобразование контролируемых аналоговых величин в цифровые и ввод их в вычислительное устройство, определяют в первую очередь такие факторы, как диапазон измерения мгновенных значений аналоговых сигналов и требуемое время цифровой обработки. С учетом большого диапазона сигналов разрядность АЦП часто не обеспечивает требуемой точности преобразования мгновенных значений сигналов. Одним из возможных решений является расширение диапазона измерений путем нормализации сигнала перед обработкой его в АЦП.

Весь диапазон входного сигнала делится измерителем уровня ИУ на определенное число уровней, например, фиксируется увеличение модуля более чем в 2, 4, 8, 16 раз относительно установленного значения. Для этого ИУ содержит двухполярные компараторы по числу уровней, обеспечивающие сравнение с установленными опорными напряжениями. Выход каждого из компараторов ИУ подводится к одному из входов ДШ, в результате чего на выходе ДШ имеется в двоичном коде сигнал, соответствующий одному из уровней для данного момента времени. Этот сигнал подводится к управляющим входам коммутатора К, который в зависимости от уровня контролируемого сигнала изменяет коэффициент передачи масштабного усилителя МУ. Например, если сигналом на выходе ДШ фиксируется, что возросло более чем в 4 раза по отношению к заданной величине, то замыкается ключ коммутатора К, обеспечивающий уменьшение коэффициента усиления МУ в 4 раза, и одновременно в вычислительное устройство ВУ поступает с выхода ДШ код, дающий информацию о необходимости умножения выходного числа АЦП на 4.

Принципы выполнения математических вычислений измеряемых параметров в устройствах на цифровых элементах

6. Измерение тока и напряжения

Разложение в ряд Фурье. Токи и напряжения при коротком замыкании представляют собой периодические функции с периодом Любая периодическая функция может быть представлена в виде

(4.23)

среднее значение функции;



амплитуда косинусной составляющей членов ряда;

амплитуда синусной составляющей членов ряда;

начальная фаза -ой гармоники;

амплитудное значение гармоники .

Эти формулы базируются на свойстве ортогональности семейства функций sin хщt; cos хщt.

Таким образом, по выражениям (4.23), получаем синусную , косинусную и амплитуду

каждой гармоники, в том числе и основной. После этого величину можно считать полностью идентифицированной.

Недостатком алгоритма является медленная работа, ограниченность класса функций, подлежащих обработке, а также то, что непериодические функции не могут быть разложены в дискретный ряд Фурье. Для целей ОМП этот недостаток не является существенным, так как при КЗ измеряемые величины носят периодический характер.

По мгновенным значениям. Ток и напряжение для ОМП поступают на цифровые запоминающие устройства после прохождения фильтров и потому можно считать их синусоидальными величинами. Идентификация синусоидального входного сигнала f(t) = Fm sin (щt) может быть почти мгновенной. Действительно, измерив f(t₁) и фазу щt₁ = ц₁ для момента времени t₁, можем считать амплитуду идентифицированной, равной

.

Действующее значение величины

. (4.24)

Среднее значение величины

. (4.25)

По интегральным значениям. Здесь действующее и среднее значения получаются не в результате обработки мгновенных значений за период Т, а при измерении синусоиды в одной точке. В этой связи, данные показания уместно назвать прогнозируемыми значениями величины f(t). Расчет прогнозируемого действующего значения приводит к повышенной погрешности при появлении случайной помехи в момент измерения сигнала. Поэтому в тех случаях, когда большого быстродействия не требуется, предпочтительным считается интегральный способ измерения синусоидальных величин.

Интегральные действующее и среднее значение величины определяется по известным выражениям:

для действующего значения

, (4.26)

для среднего значения

. (4.27)

Амплитуду синусоидального сигнала можно получить через действующее или среднее значение величин, определенных по выражениям (4.24) и (4.25).

По сравнению абсолютных значений. Измерение амплитуды при дискретной обработке сигнала можно проводить сравнением абсолютных значений смежных выборок сигнала и . Как только , значение представляет собой максимальное значение, его следует запомнить. Далее по формулам (4.24), (4.25) определяем действительное и среднее значения величин.

По мгновенному значению и производной. Пусть ток имеет синусоидальную форму частоты щ



(4.28)

Вычислим производную от тока

(4.29)

Возведя (4.28) и (4.29) в квадрат и сложив, получим

(4.30)

откуда

.

Поделим (4.28) на (4.29), получим

,

откуда



или

. (4.31)

Таким образом, имея первую производную и мгновенное значение синусоидальной величины в момент времени t, находим амплитуду и начальную фазу измеряемой величины.

Определение величины первой производной осуществляется по интерполяционным формулам. Для этого берется два значения величины в момент времени t и (), тогда

.

При ?t = 0,5 мс, f = 50Гц погрешность вычисления производной не превышает 0,15 %. Такой принцип позволяет осуществлять замер за время, равное примерно двум-трем интервалам квантования.

7. Измерение сопротивления

По действующим значениям тока и напряжения. Для измерения сопротивления при КЗ можно воспользоваться традиционным способом, когда измеряются действующие значения соответствующих напряжения U_КЗ и тока I_КЗ. Тогда сопротивление до места повреждения

. (4.32)



Расстояние до места повреждения равно

, (4.33)

где ? удельное сопротивление линии.

По мгновенным значениям тока и напряжения. Кроме традиционного способа определения l_КЗ цифровая техника позволяет применять и другие алгоритмы. В упрощенных схемах замещения линия представляется последовательно включенными .

При КЗ на такой линии падение напряжения на петле КЗ определяется как

(4.34)

Перепишем уравнение (4.34):

(4.35)

где Дt - интервал дискретизации при цифровой обработке сигнала.

В уравнении (4.35) две неизвестные величины ? . Величины U и Дi вычисляются на каждом шаге дискретизации.

Для момента времени t, когда ток i = 0, можно записать

, (4.36)



откуда

. (4.37)

Аналогично для момента времени t₂, когда , имеем

,

откуда

. (4.38)

Расстояние до места повреждения

, (4.39)

(4.40)

где ? удельные параметры линии.

Для ОМП достаточно одного выражения. Как правило, используется только (4.39), так как сильно зависит от переходного сопротивления в месте КЗ.

Используя выражение (4.35), параметры , можно определить значительно быстрее, выполнив два замера для t_к и t_m:

(4.41)

Решение системы (4.41) дает

; (4.42)

. (4.43)

Измерение расстояния до места повреждения по мгновенным значениям тока и напряжения по выражениям (4.42), (4.43).

По ортогональным составляющим. В процессе цифрового преобразования токов и напряжений измеряются их ортогональные составляющие - синусоидальная F_S и косинусоидальная F_C. Если синусоидальную величину направить по оси действительных величин, а косинусоидальную ? по оси мнимых величин, то

Где



Применительно для токов и напряжений

При КЗ на линии для петли КЗ можно записать

. (4.44)

В (4.44) напряжение и ток выразим через ортогональные составляющие

(4.45)

Тогда уравнение (4.44) с учетом (4.45) разбивается на два уравнения

(4.46)

В системе (4.46) домножим первое уравнение на , второе ? на и из второго вычтем первое, получим:



,

откуда

. (4.47)

В системе (4.46) домножим первое уравнение на , второе - на и из второго вычтем первое, получим:

,

откуда

. (4.48)



Заключение

Как было описано выше, электрическая сеть является сложной физической установкой, для нормальной работы которой необходимы сложные процессы управления. Так же на сегодняшний день практически все сферы производства и быта так или иначе зависят от потребления электроэнергии. Поэтому к электросетям предъявляется ещё одно важное требование - надёжность или бесперебойность.

Современные устройства релейной защиты и автоматики успешно справляются с данными задачами. Так же в данной области ведутся активные исследовательские и конструкторские работы, направленные на создание более совершенных устройств.

Список используемой литературы

1. А.Н. Висящев, Л.А. Акишин, С.Г. Тигунцев, А.А. Висящев, Г.П. Муссонов, Э.Р. Пленков Диагностика состояния воздушных линий электропередачи 10-110 кВ в нормальных и аварийных режимах: Учебное пособие / Под ред. А.Н. Висящева. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2012

2. Костин В.Н. Передача и распределение электроэнергии: Учеб. пособие. - СПб.: СЗТУ, 2003

3. Майоров П.Л. Оптическая обработка информации

4. ГОСТ 19431-84

5. ГОСТ 13109-97

Размещено на Allbest.ru

...