Устройство для компенсации активно-гО TOKA уТЕчКи Советский патент 1981 года по МПК H02H9/08 H02H3/16 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ АКТИВНОГО ТОКА УТЕЧКИ

1

Изобретение относится к схемам защиты электрических линий и может использоваться в трехфазньж электрических сетях низкого напряжения для автоматического регулирования активной составляющей тока однофазной утечки на землю.

Известно устройство, содержащее компенсирующую катушку, подключенную к сети, блок регулирования дополнительного напряжения, подключенный к катушке, блок управления и интегратор вход которого соединен с выходом блока управления, а его выход - с управляющим входом блока регулирования. Блок управления состоит из блока выбора напряжений, подключенный своими входами к фазам сети, фазового детектора и фильтра основной частоты, причем один выход блока напряжений подключен через фильтр основной частоты к первому входу фазового детектора и к блоку регулирования дополнительного напряжения, а другой - ко второму входу фазового детектора Г 11.

Недостатками.устройства являются сложность и ограниченное быстродействие. Причемсложность устройства определяется необходимой коммутаци ей в силовый цепях, осуществляемой блоком выбора напряжений для одновременного выбора и введения дополнительного напряжения. Ограниченное

5 быстродействие устройства определяется, помимо запаздывания, вносимого блоком выбора напряжений, инерционностью блока регулирования, так как известная реализация основана

10 на применении дросселя насыщения с управляющей обмоткой подмагничивания, которая обладает значительной постоянной времени. И, наконец, недостаточная эффективность компенсации обус15 лoвJJeнa тем, что внутреннее сопротивление блока регулирования с учетом цепи управления не является чисто активным и дополнительно изменяет резонансную настройку контура нулевой последовательности сети.

Наиболее близким к предлагаемому - по технической сущности является устройство для компенсации активного тока утечки, содержащее блок присоединения, компенсирующую катушку, подколоченную к фазам сети через блок присоединения, блок выбора напряжений, подключенный к фазам сети, фа зовый детектор, входы которого соединены с выходами блока выбора, интегратор, вход которого- соединен с выходом фазового детектора, датчик тока нулевой последовательности, подключенный к компенсирующей катушке, релейный усилитель, выход которого включен последовательно с компенсирующей катушкой, первый вход подключен к вновь введенному датчику тока нулевой последовательности, а второй вход (управляющий) подключен к выходу интегратора 2,

Недостатком устройства является сложность технической реализации релейного усилителя. Последняя обусловлена тем, что регулирование уровня ограничения усилителя по сигналу на управляющем входе может осуществляться лишь регулированием, соответствующего напряжения, питающего выходной каскад усилителя, при этом регулируемый источник напряжения должен обладать достаточной мощностью, которая определяется величиной выходного напряжения (уровнями ограничения релейного усилителя), и током, протекающим через компенсирующую катушку, и тем, что выходные цепи регулируемого, источника для правильного функционирования устройства должны быть гальванически развязаны с землей контура нулевой последовательности сети, что дополнительно усложняет реализацию таких источников.

Цель изобретения - упрощение устройства и по.вышение эффективности процесса компенсации,

Указанная цель достигается тем, что устройство для компенсации активного тока утечки, содержащее, подключенный к сети и последовательно соединенный с интегратором, блок управления, релейный инвертирующий усилитель , выход которого включен последовательно с компенсирукнцей катушкой и датчиком тока нулевой последовательности, снабжено соединенными последовательно генератором высокочастотных колебаний, блоком регулирования и сумматором, причем выход сумматора подключен к входу релейного усилителя,,второй вход сумматора - к датчику тока, а управляющий вход блока регулирования амплитуды - к выходу интегратора.

Датчик тока выполнен в виде резистора, включенного последовательно с релейнйм усилителем и компенсирующей катушкой,

На фиг, 1 представлена схема предлагаемого устройстваJ на фиг, 2 - процесс формирования широтно-импульсной модуляции на фиг, 3 - структурная схема контура нулевой последовательности сети,

Схема устройства (фиг. 1) содержит кс 4пенсир гК1цую катушку 1, подключенную к нейтрали сети 2, релейный усилитель 3, выход которого включен меж. ду катушкой 1 и землей через резистор 4, регулятор 5, состоящий из блока 6 управления, входы которого подключены к фазам сети, и интегратора 7, вход которого соединен с выходом блока 6, и схему 8 регулирования компенсации. Схема регулирования содержит генератор 9 высокочастотных колебаний, блок 10 регулирования амплитуды и сумматор 11, причем вькод сумматора соединен с входом усилителя 3,

0 первый вход - с незаземленным концом резистора. 4, а второй вход - с выходом генератора 9 через блок 10 регулирования, у которого управляющий вход соединен с выходом интегратора 7,

При однофазном прикосновении к токоведущей фазе сети 2 или при однофазном прврезвдении изоляции на выходе блока б появляется управляющий с

Q сигнал, Уд , ко.торый .затем интегрируется при помощи блока 7, Генератор 9 формирует периодические колебания, например, треугольной формы arcsin - частота колебаний , которые, йроходя через блок 10 регулирования принимают вид

a(t) A-arosinsinWjjt.

где А - амплитуда колебаний, опредеn ляемая величиной напряжения Чд на управляющем входе блока 10 (на выходе регулятоРа 5).

Напряжение U(j(t), снимаемое с резистора 4, пропорционально току I,/ (t) через .катушку 1 и равно

Ч W l(t) ROj couuJfc, где R - величина активного резисто.. ра 4;

0 U - частота сети;

1 - амплитуда тока Ij (t). После суммирования сигналов a(t) и блоке 11 возникает колебательный сигнал S S(t) Ug (t) + a(t).

Преобразуясь релейным усилителем 3, этот сигнал определяет, вводимое в нейтраль сети, дополнительное напряжение0 U(t)H5igrr,ju(t)ta.(t)}, (П

.где Н const - уровень ограничения

релейного усилителя, Напряжение Uij(t) представляет со- бой двухполярные колебания прямоугольной формы (фиг. 2), сформированные в результате воздействия релейного усилителя 3 на входной колебательньШ сигнал S(t) сложной формы. Нетрудно видеть, что. частота колебаний UQ(t) 0 равна несущей частоте uJj,, а длительность рабочих импульсов пропорциональна напряжению Ujj(t), т.е, имеет место широтно-импульсная модуляция дополнительного напряжения Ua(t) сигналом UR(t), пропорциональным току l(t). в результате широтно-импульс ной модуляции в сигнале Uo,(t) прису ствует полезная составляющая Ua(t,a;) -«, 1 (t) (2 на частоте i6, находящаяся в противофазе с общим током ), в которо коэффициент RQ, играющий роль отрицательного сопротивления, определяется глубиной модуляции. Контуру нулевой последовательнос сети в режиме однофазной утечки (фиг. 1) соответствует структурная схема (фиг. 3), которая описывается системой следующих дифференциальных уравнений: )()} 3 и f) г () (VJ) ®(; ) &(t) (.R))-U(t),, Ucj,(t;-Hs;ngJR3 -f a(t)}e(tj.Z (,(fc) э) где L и Rjj - индуктивность и активное сопротивление компенсирующей катушки 1; С и а - суммарные емкость и акти ная проводимость фаз сет 2 относительно земли; я, - проводимость однофазной ° утечки; E,(fc)R.li(t)- ЭДС и напряжение поврежд ной фазы e(-fc) - напряжение смещения нейт рали 9(-ь) - ток естественной несимме рии сети с эквивалентным емкостью Сэ и активной проводимостью а в повреж денной фазе. Используя выражение (2), получим дифференциальное уравнение для тока утечки 1(5 (t) ajjUT(t) на промышленной частоте ,3((.,(t), --d/dS )U..(,)) (%). . тг(р) u(c- fy- j)4R,+R-RoX -S)p )(- }3 iКомпенсация активной составляюще тока утечки наступает при равенстве нулю коэффициента при первой производной полинома R(р) 9-Зз fp c R-RJc-S)--Vo. Откуда требуемое значение отрицательного сопротивления равно Ifff Из последнего выражения видно, что при любых возможных параметрах L R J R С и q, контура нулевой последовательности сети и параметрах Сд и а тока естественной несимме рии сети существует единственное значение отрицательного сопротивления RQ, при котором имеет место точная компенсация активного тока утечи. Компенсация емкостной составляющей тока утечки определяется равенством()- 4fc-c)i )ЧСС-С) 0,которое выполняется для реальных параметров трехфазной сети и свиде- . тельствует о независимости резонансной настройки контура нулевой последовательности от процессов настройки активного тока утечки. Для определения зависимости величины R(5 от параметров щиротно-импульсной модуляции опишим нелинейный усилитель в выражении (1) сложной функцией, являющейся результатом суперпозиции функции F ( jt) SigTi а resin sih Cjgt и функции rH-D coscx t, где коэффициент М характеризует глубину модуляции. Периодическую функцию (ЗО при любых фиксированных значениях представим параметрическим рядом Фурье. В результате получим параметрический ряд Фурье 4.t} F().)cosnuJ,t, В котором параметрические коэффициенты Фурье F () , п 0,1, 2,3... оказываются только функциями 11 . Практически важный коэффициент F (1) в нашем случае равен с t 1 Ч Т ъ(1) ) 2. 141/. l / 1C Условие 1& 1 4 , при котором Fo(l )t легко достигается соответствующим выбором пределов изменения глубины модуляции М. В соответствии со сказанньол параметрический ряд Фурье..принимает вид Sigfnj§i-arcsir sir U)jjtl; + ZFj()(,t (5) уперпозиция ряда (5) и функции (4) ает точное выражение для сложного яда Фурье и„Сь).-нмз стешЬ- :г(ь), (6) ffl)-H Prt|:M3 GOSu)t)coSnuJ3t, ри помощи которого аппроксимируется; апряжение Ua(t)« Остаток ряда X,(t) одержит гармонические составляющие частотами пш, (nojQ.+ix)) и (псОо±2аз)ах ысокочастотный остаток 1 (t). практиески полностью отфильтровывается онтуром нулевой последовательности ети и существенного влияния на обтий ток утечки не оказывает позуому в дальнейшем его влиянием можно пре небречь. Сопоставляя выражения (2) и (6), получаем Простую зависимость R.,(H,M) - НМ, связываккцую величину компенсирукхцвго сопротивления R с глубиной модуляции М. Таким образом, для достижения минимума активного тока утечки доста точно 3 адать тоебуемую глубину модуляции М и поддерживать ее в соответствии с нулев|лм значением расстрой ки компенсации U, При этом (как видно из устройства) достаточно регулировать лишь амплитуду А высокочас отных колебаний, линеаризующих релейную характеристику усилителя 3, по отношению к полезному сигналу и., (t). Следует отметить, что подобного эффекта можно достичь и измене нием амплитуды полезного сигнала При фиксированной величине высокочастотных колебаний . Отметим также, что система компенсации оказывается в постоянной готовности к введению ком Пенсирукздего напряжения в режиме однофазной утечки. При этом отпадает .нащобность в выборе каких-либо необходимых для этого напряжений, а ре гулирование компенсации осуществляется в слаботочных сигнальных цепях« Указанные факторы, совместно с таким как от утствие коммутаций в силовых цепях, устранение запаздываний при переключениях и безынерцисэнность регулирования позволяют существенйо упростить и вместе с тем повысить быстродействие процесса компенсации. Кроме того, внесение в контур нулевой последовательности сети лишь отрицательного активного сопротивления не нарушает точности резонансной настройки кон-ЕУра,. Все это позволяет увеличить точность минимизации однофазного тока утечки, обеспечить высокое быстродействие и существенно повысить эффективность компенсации в целом. Формула изобретения 1. Устройство для компенсации активного тока утечки, содержащее; подключенный к сети и последова.те льно соединенный с интегратором блок управления, релейный инвертирующий усилитель, выход которого включен последовательно с компенсирующей катушкой и датчиком тока нулевой последовательности, отличающееся тем, что, с целью повышения эффективности ксишенсации активного тока утечки и упрощения устройства, оно снабжено.соединенными последовательно генератором высокочастотных колебаний, блоком регулирования и сумматором, причем выход сумматора подключен к входу релейного усилителя, второй вход сумматора - к датчику тока, а управляющий вход блока регулирования амплитуды - к выходу интегратора . . 2. Устройсёгво по п,1, о.т л и чающееся тем, что датчик тока нулевой последовательности выполнен в виде резистора, включенного последовательно с релейным усилителем и компенсирующей катушкой., Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1,Авторское свидетельствоСССР 565131, кл. Н 02 J 3/18, 1975. 2.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2783476/07, кл. Н 02 Н 3/16, 19,10.78.

VA

/

is

§

I

:-а

фиг

1ф)

. М$М

-н

fy()

laff)

(ti