ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ОРГАН НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ Российский патент 1994 года по МПК H02H3/38 

Изобретение относится к электротехнике/ а более конкретно - к релейной защите электрических систем.

Известны измерительные органы направления мощности/ основанные на принципе сравнения фаз тока и напряжения в сети/ и широко используемые в направленных токовых защитах [1].

Наиболее близким по своей технической сущности является устройство/ принятое в качестве прототипа и описанное в [2]/ которое содержит измерительный преобразователь тока/ измерительный преобразователь напряжения/ два компаратора/ временной кодирующий блок и сглаживающий фильтр. При этом вход первого компаратора подключен к выходу измерительного преобразователя тока/ а вход второго компаратора - к выходу измерительного преобразователя напряжения.

Недостатком этого устройства является то/ что оно обеспечивает измерение направления мощности только в диапазоне углов сдвига фаз тока и напряжения в сети/ равном 180^°/ т.е. имеет ограниченную область действия.

Целью настоящего изобретения является расширение диапазона измеряемых углов сдвига фаз тока и напряжения в сети до 360^°.

Поставленная цель достигается тем/ что в устройство/ содержащее два компаратора/ измерительный преобразователь тока/ выход которого подключен к входу первого компаратора/ измерительный преобразователь напряжения/ выход которого подключен к входу второго компаратора/ временной кодирующий блок и сглаживающий фильтр/ введены двухканальный делитель частоты/ входы которого подключены к выходам компараторов/ а один из выходов - к первому входу временного кодирующего блока/ формирователь треугольного напряжения/ вход которого подключен к второму выходу двухканального делителя частоты/ третий компаратор/ вход которого подключен к выходу формирователя треугольного напряжения/ а выход - к второму входу временного кодирующего блока/ два пороговых элемента/ входы которых подключены к выходу сглаживающего фильтра/ вход которого подключен к выходу временного кодирующего блока/ и логический элемент И/ входы которого подключены к выходам пороговых элементов.

Введение дополнительных функциональных узлов с указанными связями расширяет область действия устройства/ т.к. обеспечивает измерение направления мощности в диапазоне углов сдвига фаз тока и напряжения в сети/ равном 360^°.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства/ а на фиг.2 - графики/ поясняющие его работу.

В состав устройства входят измерительный преобразователь тока 1/ измерительный преобразователь напряжения 2/ компараторы 3/ 4/ 5/ двухканальный делитель частоты 6/ формирователь треугольного напряжения 7/ временной кодирующий блок 8/ сглаживающий фильтр 9/ пороговые элементы 10/ 11 и логический элемент И 12.

Измерительные преобразователи тока 1 и напряжения 2 применены для согласования входных параметров устройства с параметрами сети.

Компараторы 3 и 4 преобразуют синусоидальные напряжения/ поступающие с выходов измерительных преобразователей тока 1 и напряжения 2/ в напряжения прямоугольной формы. Полученные прямоугольные напряжения/ вне зависимости от амплитуд тока и напряжения в сети/ имеют постоянную амплитуду и неизменную длительность положительного и отрицательного полупериодов/ каждый из которых равен 1/2 периода напряжения сети. Напряжение/ формируемое компаратором 3/ совпадает по фазе с током в сети/ а напряжение/ формируемое компаратором 4/ совпадает по фазе с напряжением сети.

Двухканальный делитель частоты 6 производит деление на две частоты напряжений/ поступающих от компараторов 3 и 4. На его выходах действуют прямоугольные напряжения с частотой/ равной 1/2 частоты сети. Применение двухканального делителя частоты 6 позволяет измерять углы сдвига фаз тока и напряжения в сети в диапазоне/ равном 360^°. Такое положение объясняется следующим.

При угле сдвига фаз тока и напряжения в сети/ равном 0^°/ напряжения/ формируемые двухканальным делителем частоты 6/ совпадают во времени. При сдвиге фаз тока и напряжения в сети на 180^° эти напряжения смещаются во времени на 1/4 Т/ а при сдвиге на 360^°- на 1/2 Т (где Т - период напряжений/ формируемых двухканальным делителем частоты 6).

Формирователь треугольного напряжения 7 вырабатывает переменное напряжение треугольной формы/ которое принимает нулевое значение в точках/ смещенных во времени относительно перепадов прямоугольного напряжения/ действующего на его входе/ на 1/4 Т.

Компаратор 5 преобразует треугольное напряжение/ поступающее на его вход/ в напряжение прямоугольной формы. Перепады этого напряжения происходят в то время/ когда треугольное напряжение становится равным нулю. В связи с этим напряжение/ вырабатываемое компаратором 5/ смещено во времени относительно напряжения/ действующего на втором выходе двухканального делителя частоты/ на 1/4 Т.

Временной кодирующий блок 8 формирует из напряжений/ поступающих на его входы/ прямоугольные импульсы с постоянной амплитудой и частотой/ равной 1/2 частоты сети. Длительность этих импульсов линейно зависима от угла сдвига фаз тока и напряжения в сети. Причем в том случае/ когда угол сдвига фаз тока и напряжения в сети равен нулю/ длительность импульсов/ формируемых временным кодирующим блоком 8/ равна 1/4 Т. При изменении угла сдвига фаз тока и напряжения в сети диапазона значений от 0^° до 180^° длительность этих импульсов увеличивается от 1/4 Т до 1/2 Т/ а при изменении угла сдвига фаз в диапазоне значений от 0^°до -180^° уменьшается от 1/4 Т до нуля. Такое положение позволяет исключить одинаковые результаты измерения опережающих и отстающих углов сдвига фаз тока и напряжения в сети.

Сглаживающий фильтр 9 выделяет из импульсного напряжения действующего на выходе временного кодирующего блока 8/ постоянную составляющую/ которая может быть представлена формулой
U₀= U где U_o- постоянное напряжение/ действующее на выходе сглаживающего фильтра 9;
τ_u, T, U_m- длительность/ период и амплитуда импульсов соответственно/ формируемых временным кодирующим блоком 8.

Согласно приведенному уравнению/ напряжение на выходе сглаживающего фильтра 9 линейно зависит от длительности импульсов/ формируемых временным кодирующим блоком 8/ и тем самым/ линейно зависит от угла сдвига фаз тока и напряжения в сети. В том случае/ когда угол сдвига фаз тока и напряжения в сети равен 0^°/ напряжение/ действующее на выходе сглаживающего фильтра 9/ равно 1/4 U_m. При изменении указанного угла сдвига фаз от -180^°до 180^° напряжение на выходе сглаживающего фильтра 9 изменяется линейно от нуля до 1/2 U_m.

Пороговые элементы 10 и 11 контролируют величину напряжения/ действующего на выходе сглаживающего фильтра 9. Один из пороговых элементов определяет нижнюю границу зоны действия измерительного органа направления мощности. Этот пороговый элемент находится в состоянии "логического нуля" в том случае/ когда контролируемое напряжение меньше величины/ соответствующей нижнему граничному значению угла сдвига фаз тока и напряжения в сети/ и переходит в состояние "логической единицы"/ если контролируемое напряжение станет равным или большим указанной величины. Второй порговый элемент контролирует верхнюю границу зоны действия измерительного органа направления мощности. Он находится в состоянии "логической единицы" при условии/ что контролируемое напряжение меньше величины/ соответствующей верхнему граничному значению угла сдвига фаз. При достижении контролируемым напряжением указанного значения он переходит в состояние "логического нуля". Таким образом/ состояние "логической единицы" обоих пороговых элементов определяет зону действия измерительного органа направления мощности. Путем изменения уставок пороговых элементов можно изменять ширину указанной зоны и перемещать ее в диапазоне значений угла сдвига фаз тока и напряжения в сети от -180^°до 180^°.

Логический элемент И 12 контролирует состояние пороговых элементов 10 и 11 и формирует информацию о том/ что величина угла сдвига фаз тока и напряжения в сети находится в заданной зоне действия измерительного органа направления мощности/ когда на обоих ее входах действуют сигналы в виде "логической единицы".

Принцип работы устройства заключается в следующем.

Входные цепи первичных преобразователей тока 1 и напряжения 2 подключаются к электрической сети по любой из известных схем (90^°-ная схема включения/ схема с использованием поименных тока и напряжения и т.д.). Требуемая зона действия устройства (ее нижняя и верхняя границы) задается соответствующими уставками пороговых элементов 10 и 11.

В том случае/ когда величина угла сдвига фаз тока и напряжения в сети будет равна любому из значений/ лежащих вне зоны действия измерительного органа направления мощности/ один из пороговых элементов будет находится в состоянии "логического нуля"/ а второй пороговый элемент - в состоянии "логической единицы" (пороговые элементы 10 и 11). В связи с этим сигнал на выходе логического элемента И 12 будет отсутствовать.

Если величина угла сдвига фаз тока и напряжения в сети примет любое из возможных значений/ лежащих внутри зоны действия устройства/ то оба пороговых элемента 10 и 11 перейдут в состояние "логической единицы" и на выходе логического элемента И 12 появится сигнал.

По сравнению с известными измерительными органами направления мощности изобретение работает в более широком диапазоне углов сдвига фаз тока и напряжения в сети. Такое положение объясняется тем/ что известные устройства могут работать в диапазоне углов сдвига фаз тока и напряжения в сети/ равном 180^°/ в то время как предлагаемое устройство - в диапазоне/ равном 360^°. Это обеспечивает его универсальность/ т.к. исключает необходимость использовать в схемах защиты от различных коротких замыканий в конкретных электрических сетях строго определенные модификации.

Использование: в релейной защите электрических систем. Сущность изобретения: входные цепи первичных преобразователей тока 1 и напряжения 2 подключаются к электрической сети по любой из известных схем. Требуемая зона действия устройства (ее нижняя и верхняя границы) задается соответствующими уставками пороговых элементов 10 и 11. В том случае, когда величина угла сдвига фаз тока и напряжения в сети будет равна любому из значений, лежащих вне зоны действия измерительного органа направления мощности, один из пороговых элементов будет находиться в состоянии "логического нуля", а второй пороговый элемент - в состоянии "логической единицы"(пороговые элементы 10 и 11). В связи с этим сигнал на выходе логической схемы И 12 будет отсутствовать. Если величина угла сдвига фаз тока и напряжения в сети примет любое из возможных значений, лежащих внутри зоны действия устройства, то оба пороговых элемента 10 и 11 перейдут в состояние "логической единицы" и на выходе логической схемы И 12 появится сигнал. 2 ил.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ОРГАН НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ, содержащий два компаратора, измерительный преобразователь тока, выход которого подключен к входу первого компаратора, измерительный преобразователь напряжения, выход которого подключен к входу второго компаратора, временной кодирующий блок и сглаживающий фильтр, отличающийся тем, что, с целью расширения диапазона измеряемых углов сдвига фаз тока и напряжения в сети, в него введены двухканальный делитель частоты, входы которого подключены к выходам компараторов, а один из выходов - к первому входу временного кодирующего блока, формирователь треугольного напряжения, вход которого подключен к второму выходу двухканального делителя частоты, третий компаратор, вход которого подключен к выходу формирователя треугольного напряжения, а выход - к второму входу временного кодирующего блока, два пороговых элемента, входы которых подключены к выходу сглаживающего фильтра, вход которого подключен к выходу временного кодирующего блока, и логический элемент И, входы которого подключены к выходам пороговых элементов.