Устройство для измерения тока короткого замыкания Советский патент 1993 года по МПК G06F15/46 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для измерения тока короткого замыкания (ТКЗ) в сильноточных электроустановках.

Целью изобретения является .повышение точности измерения ТКЗ.

Устройство для измерения ТКЗ поясняется чертежом и содержит: 1 - датчик тока; 2 - пороговый блок; 3 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 4 - блок памяти; 5 - преобразователь Фурье; б - блок синхронизации; 7 - второй регистр; 8-17 - с первого по десятый вычислители коэффициентов ряда Фурье (ВКФ); 18 - первый регистр; 19-28 - с первого по десятый цифроаналоговые преобразователи (ЦАП); 29-33 - с первого по пятый генераторы синусно-косинусных сигналов; 34-43 - с первого по десятый блоки умножения (БУ); 44 - сумматор.

Устройство работает следующим образом.

Если производится измерение небольших значений токов, т.е. значений, когда датчик тока (трансформатор тока) 1 работает на линейном участке характеристики преобразования, то устройство находится в ждущем режиме, а выходной сигнал l2(t), зависящий от входного li(t), снимается непосредственно с выхода датчика тока 1.

Если производится измерение ТКЗ (в этом случае датчик тока 1 работает на участке насыщения характеристики преобразования), то при этом срабатывает пороговый блок 2, который запускает АЦП 3 и разблокирует блок памяти 4. При этом выходной сигнал lz(t) датчика тока 1 преобразуется с помощью АЦП 3 в цифровой код и записывается в блоке памяти 4. Через определенное время, задаваемое с помощью порогового блока 2, на его выходе появляется сигнал логического нуля, производится блокирование АЦП 3 и прекращается подача цифровой информации в блок 4. Одновременно этим же сигналом запускается блок синхронизации 6.

Известно, что зависимость 2 - f(H) описывается полиномом вида 12 Cih + C2li2 + Csli3 + C4h4 + Csli5. (1) где Ci-Cs - коэффициенты полинома.

Передаточная функция датчика тока К (1: + Тм р) 1 + Т р

Поскольку характеристика преобразования трансформатора тока симметрична относительно начала координат, то члены полинома (1), содержащие четную степень, равняются нулю, и поэтому полином (1) принимает вид

W(p)(2)

и

l2 Cih + СзИ - Сг.г

Особенностью передаточной функции (2) является то. что соответствующая ей весовая характеристика обладает свойством сепарабельности.

Поскольку датчик тока 1 является нелинейной системой и ее можно представить в виде последовательного соединения динамического звена с соответствующей весовой характеристикой и нелинейности (3), то для нее справедливо интегральное уравнение Вольтерра

00

l2(t)Ci / 91 (ri)H (t-n)dti +

-оо

оо оо со + Сз / / / дз (ri, г2. гз) -и (t - п) х

-00-00-00

X h (t - r2) h (t -гз) d ri d Г2 d гз +

00 00 00 00 00

+ Сб / / / / / 95 (Г1, T2, Гз, Г4, Ts) Их

-00-00-00-00-00

X (t - n) li (t - Гг) h (t - Гз) li (t - T4) X x h (t - TS) d ri d Г2 d гз d Г4 d rs , (4)

где gi (ri. T2, ... , TI) - t-мерная весовая характеристика.

Разложим известный сигнал I2(t) в ряд Фурье

I2(t) § 4eilwit(5)

на отрезке О, TI, TI - время наблюдения, Oh 2jr/Timax, а неизвестный сигнал h(t) представим также рядом Фурье вида

m

li(t) Ј h,eJ|(Wlt(6)

с неизвестными коэффициентами hi. Подставляя (5), (6) в уравнение (4) и находим в нем интегралы с учетом свойства сепарабельности, получим выражение

§ Л, § hiW(jiwOe IWlt + i -tni -m

+ Сз Ј hi3W3Olwi)ej3iWlt + )

+ C5 § h W JIwOe 5 1 1(7)

Рассматривая его как тождество, получаем систему уравнений

55 A±i Ci h± j W; (± j i г/л) + C3 h3±i/3 W I x(± j wi) + C5 h5±i/5 W s (± j I an). (8)

где i -N. -(N-1). ..., -1, 1, 2. .... N-1. N. которая в развернутом виде для i - 1.5 имеет вид

10

15

20

25

30

35

40

45

50

A±1 Ci h±1W(±jwi), A±2 Cih±2W(), А±з Ci h±3W(±j3wi) +

+ Сзп5± f-W3().

A±4 Ci h±4 W(±j4«i),A±5

Ci h±5W(±j5wi) + Csh|;1W5()

(9) Отсюда находим h±j

h±1 A±1

h±2

h±3 h±4

CiW(±jwi)

A±2

CiW(±j2ft)t)

A±3-C3hJ:iw3(±JaJi) CiW(±j3wi)

A ±4

(Ю)

Ci.W(±jai) A±5-C5hilW5(±jftJi)

hrbCiW(±j5«wi)

Поскольку выражения коэффициентов Фурье h±1, ..., л±5 редста.влена в комплексной форме, то для аппаратной реализации необходимо произвести их преобразование к тригонометрической форме. Учитывая,что

;+. ni ±Jdi я±, - 2

(11)

hti

где ni, di - коэффициенты разложения сигнала l2(t) в тригонометрический ряд Фурье, а

а ± j bi

2

где а, bi - коэффициенты разложения сигнала M(t) в тригонометрический ряд Фурье, подставляем (2), (11) в (10) и путем преобразований получаем выражения для вычисления aibi,..., asbs.

Например, для коэффициентов ai и bi получаются выражения

1 +ТТм&Я Ci К (1 + Тм2 aft (Т-Тм)ш1

Ci К (1 + Тм2 «Я)

(Тм-Т)«1

bi m

ai ш

+ di

+

+ di

CtK(1 +Тм2) 1 +ТТмоЯ

+

(13)

Ci К (1 + Тм2 to) Подставляя выражения вида (13) в три нометрический ряд Фурье

lift)

: 2/ (ai cos Ш1 t + bi sin i wi t) (14) 1 1

восстанавливаем входной сигнал h(t).

При этом параметры датчика тока и значение считаются известными.

5

1°

15

0

5

0

5

0

5

0

5

Необходимо отметить, что выражения вида (13) могут, быть записаны и в следующем виде

ai fi(m, di).

bi f2(ni. di),

32 f3(n2, d2), b2 fl(ri2. d2),

a3 fs(ni, di, пз, ds),(15) Ьз fe(ni, di. пз, da),

34 f(rt4, d4).

b4 fs(n4, d),

as f9(ni, di, ns, ds),

bs fio(ni, di, ns, ds).

Для упрощения структуры данного устройства решения выражений (13) запрограммированы в ВКФ 8-17 с учетом предельных значений щ, ..., ns, di, ..., ds. Поэтому, например, коэффициент ai определяется на выходе ВКФ при наличии на его двух входах значений ni и di.

Итак, после срабатывания блока синхронизации 6 работа устройства осуществляется по тактам. В первом такте на втором выходе блока синхронизации 6 появляется сигнал логической единицы, который подается в преобразователь Фурье 5, вследствие чего последний считывает данные из блока памяти 4. По окончании считывания в пре- образователе Фурье 5 вычисляются коэффициенты щ, ...; ns, di, ..., dg, а значения щ и di устанавливаются на его информационных выходах.

Во втором такте сигнал логической единицы появляется на третьем выходе блока синхронизации 6, по которому значения щ и dr записываются в регистр 7, с выхода которого эти же сигналы поступают на ВКФ 16 и 17, на выходах которых формируются коды значений bi и di, зависящие от значений коэффициентов щ и di.

В третьем такте сигнал логической единицы формируется на четвертом выходе блока синхронизации 6, вследствие чего значения ai и bi записываются в регистр 18.

В четвертом такте сигнал логической единицы со второго выхода блока синхронизации б подается в преобразователь Фурье 5, на выходах которого устанавливаются сигналы П2 и d2. Одновременно на выходах ВКФ 15 и 14 появляются соответствующие им значения коэффициентов 32 и Ь2, которые по пятому такту блока синхронизации 6 записываются в регистр 18.

В шестом такте сигнал логической единицы со второго выхода блока синхронизации 6 поступает в преобразователь Фурье 5, на выходах которого устанавливаются сигналы пз и d3. Поскольку на выходах регистра 7 присутствуют сигналы, соответствующие коэффициентам щи di. то на выходах ВКФ 13 и 12 появляются коды сигналов аз и Ьз, которые по седьмому такту блока синхронизации 6 записываются в регистр 18, В восьмом такте работы блока синхронизации 6 на выходах преобразователя Фурье 5 устанавливаются коэффициенты гм и оЧ вследствие чего на выходах ВКФ 11 и 10 образуются коды сигналов ал, и Ь4, которые по девятому такту работы блока синхронизации 6 записываются в регистр 18.

В десятом такте на выходах преобразователя Фурье 5 формируются коды значений ns и ds, на выходах ВКФ 9 и 8 появляются сигналы, соответствующие значениям аз и Ьб, которые по одиннадцатому такту работы блока синхронизации б записываются в регистр 18.

По мере записи цифровых кодов, соответствующих коэффициентам ai, ..., as, bi, .,., , в регистр 18 на выходах ЦАП 19-28 формируются те же значения коэффициентов, только представлены они в аналоговой форме.

По двенадцатому такту работы блока синхронизации б на его пятом выходе появляется сигнал логической единицы, который запускает генераторы сигналов 29-33. На первых выходах генераторов образуются сигналы, соответствующие значению sin i ш t, а на вторых выходах - сигналы, соответствующие cos I 0)i t, причем для генератора 29 i 5, для генератора 30 i 4, для генератора 31 I 3, для генератора 32 i 2, для генератора 33 i 1, т.е., каждый из генераторов сигналов имеет свою частоту следования гармонических сигналов.

Выходные сигналы ЦАП и генераторов подаются на БУ 34-43, а затем на сумматор 44, на выходе которого по двенадцатому такту работы блок синхронизации 6 начинает появляться восстановленный входной сигнал h(t), вычисленный согласно выражению (14) и смещенный во времени относительно сигнала h(t) на время преобразований. Восстановление сигнала производится на участке времени, равном времени считывания H{t) искаженного сигнала через АЦП 3 в блок памяти 4, т.е. времени работы порогового блока 2.

Последним тринадцатым тактом блок синхронизации 7 возвращается в исходное состояние, а также обнуляются пороговый блок 2, блок памяти 4 и регистр 18.

Следует отметить, что паузы между тактами и длительность тактов в работе блока синхронизации 6 могут регулироваться в зависимости от быстродействия различных блоков устройства, что несложным .путем

достигается при реализации блока синхронизации 6.

Формула изобретения Устройство для измерения тока короткого замыкания, содержащее датчик тока, подключенный выходом к информационному входу аналого-цифрового преобразователя, связанного выходом с информационным входом блока памяти,

0 подключенного выходом к информационному входу преобразователя .Фурье, шесть блоков умножения, выходы первого и второго блоков умножения соединены с соответствующими входами сумматора, отличаю5 щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения, в устройство введены два регистра, десять вычислителей коэффициентов ряда Фурье, десять цифроаналоговых преобразователей, пять генераторов синус0 но-косинусных сигналов, четыре блока умножения, блок синхронизации и пороговый блок, подключенный информационным входом к выходу датчика тока, входом обнуления - к первому выходу блока

5 синхронизации, к входам обнуления блока памяти и первого регистра, а выходом - к входу разрешения записи блока памяти, к входам запуска аналого-цифрового преобразователя и блока синхронизации, связан0 ного вторым выходом со входом разрешения считывания данных преобразователя Фурье, подключенного первым информационным выходом к первому информационному входу второго регистра и

5 к первым информационным входам с первого по восьмой вычислителей коэффициентов ряда Фурье, а вторым информационным выходом - к вторым информационным входам с первого по восьмой вычислителей коэффи0 циентов ряда Фурье и к второму информационному входу второго регистра, связанного входом разрешения записи с третьим выходом блока синхронизации, первым выходом - с третьими информаци5 онными входами первого, второго, пятого и шестого вычислителей коэффициентов ряда Фурье и с первыми информационными входами девятого и десятого вычислителей ко- эффициентов ряда Фурье, а вторым

0 выходом - с четвертыми информационными входами первого, второго, пятого и шестого вычислителей коэффициентов ряда Фурье и с вторыми информационными входами девятого и десятого вычислителей коэффици5 ентов ряда Фурье, выходы с первого по десятый вычислителей коэффициентов ряда Фурье подключены к соответствующим информационным входам первого регистра, соединенного входом разрешения записи с четвертым выходом блока синхронизации, а

с первого по десятый выходами подключенного к информационным входам соответствующих цифроаналоговых преобразователей, подключенных выходами к первым входам соответствующих блоков умножения, пятый выход блока синхронизации соединен с входами запуска с первого по пятый генераторов синусно-косинусных сигналов, подключенных первыми выходами к вторым входам соответственно первого, третьего, пятого, седьмого и девятого блоков умножения, а вторыми выходами - к вторым входам соответственно второго, четвертого, шестого, восьмого и десятого блоков умножения, выходы с третьего по десятый блоков умножения связаны с соответствующими входами сумматора.

10

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения тока короткого замыкания в электрических сетях, измеряемого с помощью трансформатора тока, за счет учета нелинейности передэточ,М) ной характеристики трансформатора тока. Устройство содержит датчик тока 1, пороговый блок 2, аналого-цифровой преобразователь 3, блок памяти 4, преобразователь Фурье 5, блок синхронизации 6, регистр 7, вычислители 8-17 коэффициентов ряда Фурье, регистр 18, цифроаналоговые преобразователи 19-28, генераторы 29-33 синус- но-косинусных сигналов, блоки умножения 34-43, сумматор. Поставленная цель достигается путем сведения процесса решения интегрального уравнения Вольтерра в частотной области с помощью введения преобразователя Фурье 5 и блока памяти 4. Кроме того, использование перепрограммируемых вычислителей 8-17 коэффициентов ряда Фурье позволяет в качестве датчика тока 1 применять различные типы трансформаторов тока. 1 ил. r.AM (Л С