Фильтр тока нулевой последовательности на герконах Российский патент 2023 года по МПК H02H3/38 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к технике релейной защиты, и может быть использовано для защиты электроустановок от однофазных коротких замыканий без использования трансформаторов тока.

Известен фильтр тока нулевой последовательности [Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения - М.: Высш. Шк., 2008. - 639 с.: ил.], содержащий реле тока, подключенное к трансформаторам тока электроустановки, логическую часть, подключенную к реле тока, и исполнительный орган, подключенный к логической части.

Недостатком этого фильтра является невозможность работы без трансформаторов тока и в ряде случаев малая чувствительность к однофазным коротким замыканиям на землю.

Известен фильтр тока нулевой последовательности [KZ 20854 МПК H02H 3/38, опубл. 16.02.2009], принятый авторами за прототип, содержащий первый и второй герконы, логическую часть, подключенную к контактам первого геркона, исполнительный орган, первую и вторую обмотки, намотанные на первый и второй герконы, соответственно, первый усилитель, подключенный ко второй обмотке, первую фазоповоротную схему, входами подключенную к выходам первого усилителя, а выходами, через первый регулировочный резистор - к первой обмотке, причем первый и второй герконы с первой и второй обмотками закреплены на пересечении горизонтальной и первой вертикальной плоскостей так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h, и (в вертикальной плоскости), а второго - с точкой с координатами h, , , где h - расстояние в вертикальной плоскости от первой горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов, до токопроводов, γ₁ (γ₂) - угол между первой горизонтальной линией и продольной осью первого (второго) геркона, х₁ (х₂) - расстояние от центра тяжести первого (второго) геркона до первой вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А, d - расстояние между проводниками соседних фаз.

Недостатками этого фильтра являются отсутствие возможности выявления неисправностей в нем и связанные с этим отказы в срабатывании.

Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей фильтра токов нулевой последовательности на герконах и повышение надежности путем своевременного выявления неисправностей его элементов.

Предложенный фильтр тока нулевой последовательности, также, как и в прототипе, содержит первый и второй герконы, логическую часть, подключенную к контактам первого геркона, исполнительный орган, первую и вторую обмотки, намотанные на первый и второй герконы, соответственно, первый усилитель, подключенный ко второй обмотке, первую фазоповоротную схему, входами подключенную к выходам первого усилителя, а выходами, через первый регулировочный резистор - к первой обмотке, причем первый и второй герконы с первой и второй обмотками закреплены на пересечении горизонтальной и первой вертикальной плоскостей так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h, и (в вертикальной плоскости), а второго - с точкой с координатами h, , , где h - расстояние в вертикальной плоскости от первой горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов, до токопроводов, γ₁ (γ₂) - угол между первой горизонтальной линией и продольной осью первого (второго) геркона, х₁ (х₂) - расстояние от центра тяжести первого (второго) геркона до первой вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А, d - расстояние между проводниками соседних фаз.

Согласно изобретению, третий и четвертый герконы расположены в той же горизонтальной плоскости на ее пересечении с второй вертикальной плоскостью, находящейся от первой на расстоянии l, третий и четвертый герконы закреплены под углами γ₃ и γ₄ к второй горизонтальной прямой, проходящей через их центры тяжести, и на расстояниях х₃ и х₄ от второй вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А и пересекающей вторую горизонтальную линию, причем х₃=х₁, х₄=х₂ и γ₃=γ₁, γ₄=γ₂, контакты третьего и четвертого герконов подключены к логической части, третья и четвертая обмотки намотаны на третий и четвертый герконы, соответственно, второй усилитель подключен к третьей обмотке, вторая фазоповоротная схема входами подключена к выходам второго усилителя, а выходами, через второй регулировочный резистор - к четвертой обмотке, схема сравнения входами подключена к выводам первой и четвертой обмоток, а выходом к блоку сигнализации, элемент И с одним инверсным входом подключен прямым входом к логической части, инверсным входом к блоку сигнализации, а выходом к исполнительному органу.

Использование третьего и четвертого герконов, третьей и четвертой обмоток, вторых усилителя, фазоповоротной схемы и резистора, блоков сравнения и сигнализации, а также элемента И с одним инверсным входом, и их соответствующее подключение позволяют выполнить функциональную диагностику фильтра, выявляя неисправности в элементах.

На фигуре 1 представлена структурная схема фильтра токов нулевой последовательности.

Фильтр тока нулевой последовательности содержит герконы 1, 2, 3 и 4 с обмотками 5, 6, 7 и 8, соответственно. Усилители 9 (У1) и 10 (У2) входами подключен к обмоткам 6 и 7, соответственно, а выходами - к входам фазоповоротных схем 11 (Ф1) и 12 (Ф2), которые выходами, соответственно, через регулировочные резисторы 13 и 14, подключены к обмоткам 5 и 8. Логическая часть 15 (ЛЧ) подключена к контактам герконов 1 и 4. Элемент И 16 (И) с одним инверсным входом подключен прямым входом к логической части 15 (ЛЧ). Схема сравнения 17 (СС) входами подключена к обмоткам 5 и 8, а выходами к блоку сигнализации 18 (БС), выход которого подключен к инверсному входу элемента И 16 (И) с одним инверсным входом. Исполнительный орган 19 (ИО) подключен к элементу И 16 (И) с одним инверсным входом.

В качестве герконов 1-4 могут быть использованы, например, герконы типа МКА-20101. Обмотки управления 5-8 выполнены с помощью обмотки реле тока типа РТМ. В качестве усилителей 9 (У1) и 10 (У2) могут быть использованы усилители типа К14УД6. Фазоповоротные схемы 11 (Ф1) и 12 (Ф2) могут быть выполнены, например, на конденсаторах типа К 50-12 и резисторах МОН-0,5. В качестве резисторов 13 и 14 могут быть использованы резисторы типа МОН-0,5. Логическая часть 15 (ЛЧ) и схема сравнения 17 (СС) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53. Элемент И 16 (И) с одним инверсным входом может быть реализован с помощью микросхем типа И-К155ЛИ1 и HEF4069UBP. В качестве блока сигнализации 18 (БС) и исполнительного органа 19 (ИО) могут быть использованы лампа типа L16RR-E05 и промежуточное реле типа RT424005.

Герконы 1 (3) и 2 (4) располагают в магнитном поле токопроводов 20, 21 и 22 фаз А, В и С, соответственно. Их положение определяется расстоянием h в вертикальной плоскости от горизонтальной линии 23 (24), проходящей через центры тяжести герконов 1 (3) и 2 (4), до токопроводов 20, 21 и 22; расстояниями х₁ (х₃) и х₂ (х₄) от центра тяжести герконов 1 (3) и 2 (4) до вертикальной линии 25 (26), проходящей через центр токопровода фазы А; углами γ₁ (γ₃) и γ₂ (γ₄) в вертикальной плоскости между линией 23 (24) и продольной осью герконов 1 (3) и 2 (4); расстоянием l между вертикальными плоскостями, в которых расположены герконы. Расстояние l выбирается таким, чтобы исключить взаимное влияние герконов с обмотками друг на друга. Для построения фильтра токов нулевой последовательности расстояния х₁ (х₃), х₂ (х₄) и углы γ₁ (γ₃), γ₂ (γ₄) выбираются так, чтобы на геркон 1 (3) действовало магнитное поле, созданное токами фаз А и В, а на геркон 2 (4) - созданное токами фаз В и С. Расчеты, приведенные в [KZ 20854 МПК H02H 3/38, опубл. 16.02.2009] показали:

1. Герконы 1 и 2 необходимо установить в точках с координатами , и , .

2. Коэффициент К_у усиления усилителя 9 (У1), угол α_ФПС сдвига фаз фазоповоротной схемы 11 (Ф1) и сопротивление r₁₃ резистора 13 могут быть определены из выражений:

где - индукция магнитного поля, созданного током в обмотке 5, полученным на выходе усилителя 9 (У1) при наличии фазоповоротной схемы 11 (Ф1) и регулировочного резистора 13; - электродвижущая сила, наведенная на выводах обмотки 6 с внешним диаметром D_внеш6 и количеством витков W₆; f - частота промышленного тока; - сопротивление выходной цепи усилителя 9 (У1), состоит из сопротивлений Z_обм5 обмотки 5, Z_пров соединительных проводов и r₁₃; l₅, D_ср5, W₅ и r_обм5 - длина каркаса, диаметр, количество витков и активное сопротивление обмотки 5.

Аналогично обеспечивается воздействие магнитных полей, созданных токами нулевой последовательности, и на геркон 4. При этом получается х₃=х₁, х₄=х₂, γ₃=γ₁, γ₄=γ₂, коэффициент усиления усилителя 10 (У2) равен К_у, рассчитанному по (1). Угол фазоповоротной схемы 12 (Ф2) рассчитывается по (2), но с учетом того, что ЭДС в обмотке 7 создается токами и в токопроводах фаз А и В. Сопротивление резистора 14 - по (3).

Фильтр тока нулевой последовательности работает следующим образом. В нормальном режиме работы электроустановки токи нулевой последовательности отсутствуют, и на геркон 1 (4) действует магнитное поле с индукцией В_нб небаланса, которое обусловлено неточностью установки герконов 1 (3) и 2 (4) в рассчитанные координаты и допустимой несимметрией системы токов А, В и С, протекающих по токопроводам. Чтобы геркон 1 (4) не срабатывал в нормальном режиме его индукция срабатывания должна быть больше В_нб, то есть

где k_отс - коэффициент отстройки, k_отс=1, 2.

При коротком замыкании на землю по токопроводам электроустановки протекают токи нулевой последовательности. При этом индукции срабатывания герконов 1 и 4 оказываются меньше индукции воздействующего на них магнитного поля, созданного токами нулевой последовательности, и герконы срабатывают, замыкая контакты и подавая сигнал через логическую часть 15 (ЛЧ) и элемент И 16 (И) с одним инверсным входом на исполнительный орган 19 (ИО).

Функциональная диагностика предлагаемого измерительного органа осуществляется следующим образом. Во всех режимах работы фильтра на входы схемы сравнения 17 (СС) поступают ЭДС, подаваемые на обмотки 5 и 8, с абсолютными значениями Е₅ и Е₈, причем Е₅≠Е₈ из-за указанных выше причин. Для обеспечения несрабатывания схемы сравнения 17 (СС) при отсутствии повреждений в цепях обмоток 5 и 8, параметр ее срабатывания Е_ср должен быть отстроен от наибольшей разности Е₅ и Е₈

При возникновении повреждения в соединительных проводах или в элементах, подключенных к обмоткам 5 и 8, разность становится больше Е_ср. Схема сравнения 17 (СС) срабатывает и выдает сигнал в блок сигнализации 18 (БС), который выдает сигнал на инверсный вход элемента И 16 (И) с одним инверсным входом, блокируя срабатывание защиты. Таким образом, заявляемый фильтр тока нулевой последовательности, в сравнении с известным, позволяет добиться экономического эффекта за счет уменьшения ущерба от несрабатывания защиты, реализуемой на нем, путем выявления неисправностей в цепях обмоток управления.

Использование: в области электротехники для защиты электроустановок от однофазных коротких замыканий. Технический результат изобретения - повышение надежности фильтра токов нулевой последовательности на герконах и расширение его функциональных возможностей за счет своевременного выявления неисправностей его элементов. Фильтр тока нулевой последовательности содержит первый и второй герконы, логическую часть, подключенную к контактам первого геркона, исполнительный орган, подключенный к выходу логической части, первую и вторую обмотки, намотанные на первый и второй герконы, соответственно, первый усилитель, подключенный ко второй обмотке, первую фазоповоротную схему. Согласно изобретению в фильтр введены третий и четвертый герконы. Контакты четвертого геркона подключены к логической части. Третья и четвертая обмотки намотаны на третий и четвертый герконы, соответственно, а второй усилитель подключен к третьей обмотке. Вторая фазоповоротная схема входами подключена к выходам второго усилителя, а выходами, через второй регулировочный резистор - к четвертой обмотке. Блок сравнения входами подключен к выводам первой и четвертой обмоток, а выходом - к блоку сигнализации. 1 ил.

Фильтр тока нулевой последовательности, содержащий первый и второй герконы, логическую часть, подключенную к контактам первого геркона, исполнительный орган, первую и вторую обмотки, намотанные на первый и второй герконы, соответственно, первый усилитель, подключенный ко второй обмотке, первую фазоповоротную схему, входами подключенную к выходам первого усилителя, а выходами, через первый регулировочный резистор – к первой обмотке, причем первый и второй герконы с первой и второй обмотками закреплены на пересечении горизонтальной и первой вертикальной плоскостей так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h, и в вертикальной плоскости, а второго – с точкой с координатами h, , , где h – расстояние в вертикальной плоскости от первой горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов, до токопроводов, γ₁ (γ₂) – угол между первой горизонтальной линией и продольной осью первого/второго геркона, х₁ (х₂) – расстояние от центра тяжести первого/второго геркона до первой вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А, d – расстояние между проводниками соседних фаз, отличающийся тем, что третий и четвертый герконы расположены в той же горизонтальной плоскости на ее пересечении со второй вертикальной плоскостью, находящейся от первой на расстоянии l, третий и четвертый герконы закреплены под углами γ₃ и γ₄ ко второй горизонтальной прямой, проходящей через их центры тяжести, и на расстояниях х₃ и х₄ от второй вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А и пересекающей вторую горизонтальную линию, причем х₃=х₁, х₄=х₂ и γ₃=γ₁, γ₄=γ₂, контакты третьего и четвертого герконов подключены к логической части, третья и четвертая обмотки намотаны на третий и четвертый герконы, соответственно, второй усилитель подключен к третьей обмотке, вторая фазоповоротная схема входами подключена к выходам второго усилителя, а выходами, через второй регулировочный резистор – к четвертой обмотке, схема сравнения входами подключена к выводам первой и четвертой обмоток, а выходом к блоку сигнализации, элемент И с одним инверсным входом подключен прямым входом к логической части, инверсным входом к блоку сигнализации, а выходом к исполнительному органу.