СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫЯВИТЕЛЬНОГО ПРИЗНАКА АПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗМЕНЕНИЯ ТОКА И ДАТЧИК ВЫЯВИТЕЛЬНОГО ПРИЗНАКА АПЕРИОДИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗМЕНЕНИЯ ТОКА
METHOD OF OBTAINING INDICATIVE FEATURE OF APERIODIC PROCESS OF CURRENT VARIATION AND SENSOR OF DETECTING FEATURE OF APERIODIC PROCESS OF CURRENT CHANGE

Область техники
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для выявления апериодического процесса изменения тока в сетях постоянного тока, например, для устройств защиты от токов короткого замыкания.
В защитах постоянного тока особенности изменения тока при аварийных режимах и режимах нагрузки, нужны для различения этих режимов между собой. Аварийное изменение тока сопровождается апериодическим процессом изменением тока, который полностью характеризуется совокупностью двух параметров из трех: приращения тока, производной тока в начальный момент изменения тока и постоянной времени. Приращение тока наиболее информативный параметр и поэтому его используют как ведущий выявительный признак наличия апериодического процесса в нормативной ведомственной литературе. [ИНСТРУКЦИЯ по выбору уставок защит терминала ЦЗАФ-3,3. (дополнение к части 1-ой «Руководящих материалов по релейной защите систем тягового электроснабжения», ЦЭ ОАО «РЖД», 2005 г., с. 12, 1-й абз. сверху] [1].
Уровень техники
Известен способ получения величины тока, при котором используют магнитное поле, создаваемое током в электромагнитном реле [Чернобровов А.В. «Релейная зашита» М., Энергия, 1974, стр. 29] [2]. Этот способ не учитывает особенности изменения тока, и не получает приращения тока, поэтому не может быть выявительным признаком апериодического процесса изменения тока.
Принципиальная возможность реализации способа выделения сигнала, пропорционального приращению тока известна [Кучма К.Г. и др. «Защита от токов короткого замыкания в контактной сети» М. Трансжелдориздат, I960 г. с. 155.] [3], с помощью устройства с одним входом и двух выходами, один выход по отношению к входу имеет малую постоянную времени, другой выход по отношению к входу имеет большую постоянную времени. Выходной сигнал снимается как разностный сигнал между обоими выходами и он практически соответствует приращению тока, не зависимо от того, по какому закону изменялся входной ток. Описаны лишь импульсные защиты, их выходные сигналы одновременно зависят от приращения тока и от величины тока.
Способ получения выявительного признака апериодического процесса изменения постоянного тока приведен в [А. С. СССР №148450 Г.В. Могилевский «Автоматический быстродействующий выключатель постоянного тока», 1964 г.] [4]. В нем производят вычисление установившегося значения по текущему значению тока, первой производной тока и второй производной тока, используя математические соотношения. Определение установившейся величины тока в начальной стадии его изменения обеспечивает быстродействие. Приращение тока на фоне предшествовавшего тока не получают. Этот способ не достаточно помехоустойчив, так аналоговые операции (дифференцирование, возведение в квадрат) производят над малыми величинами, получаемыми от датчика производной тока. Соотношение сигнал / помеха невысокое.
В способе получения выявительного признака, описанном в [а. с. СССР №792419 Ю.Л. Беньяш, В.Н. Пупынин «Устройство для защиты тяговой сети постоянного тока от тока короткого замыкания», 1980 г.] [5]., выявляют приращение апериодического процесса изменения постоянного тока, также путем вычисления начального значения приращения тока, но уже отдельно взятого приращения тока. Величину приращения тока вычисляют по производным тока, взятых в отдельных точках в начале приращения тока. Соотношение сигнал / помеха невысокое.
Известен способ [А. С. СССР №834813 Ю.Л. Беньяш, В.Н. Пупынин и А.Е. Данцкер «Устройство для защиты тяговой сети от тока короткого замыкания», 1981 г.] [6], при котором производят выявление приращение тока путем вычисления установившегося значения по текущему значению первой производной тока и второй производной тока, при это возводят в квадрат первую производную тока. Определение установившейся величины тока в начальной стадии его изменения обеспечивает быстродействие способа, что создает принципиальную возможность отключения короткого замыкания в самом начале его развития. Производят аналоговые операции над малыми величинами, получаемые от датчика производной тока, соотношение сигнал / помеха невысокое.
Получаемый в начале изменения тока сигнал о величине приращения тока специальным образом позволяет считать такой сигнал выявительным признаком апериодического процесса изменения тока, а защиты, получаемые на базе этого признака, защитами с прогнозированием, поскольку сигнал получают в самом начале приращения тока. Наиболее быстродействующими оказываются способы и устройства, с использованием цепей с большой постоянной времени, рассмотренные ниже. Под цепью с большой постоянной времени понимается такая цепь, постоянная времени которой в несколько раз (3-5 раз) больше постоянной времени изменения тока аварийного процесса.
В способе получения выявительного признака [а. с. СССР №792420 Ю.Л. Беньяш, В.Н. Пупынин «Устройство для защиты сети постоянного тока от тока короткого замыкания», 1981 г.] [7] используют цепь с большой постоянной времени, и производят аналоговое решения уравнения с приращением тока, которое получают в начале приращения, т.е. практически мгновенно. Выявление приращения тока производят (прогнозируют) на базе малых сигналов, соотношение сигнал / помеха невысокое.
Известен способ выявления выявление апериодического процесса изменения постоянного тока [А. С. СССР №1781763 Ю.Л. Беньяш, Ю.В. Максименко «Устройство для быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий», 1992 г.] [8], в котором определяют величину выявительного параметра апериодического процесса изменения тока, приращения тока в начале его изменения, производя аналоговое решение уравнения с приращением тока. В способе используют звено с большой постоянной времени. Кроме того, в нем одно приращение тока отделяют от другого, соседнего по времени, путем использования блока выделения единичного приращения выявительного параметра. Первичную информацию об изменении тока в этом способе получают через производную тока, величина тока в непосредственном виде не используется. Выявление приращения тока производится на базе малых сигналов, соотношение сигнал / помеха невысокое.
Известен способ получения выявительного признака апериодического процесса изменения тока, в котором первичный ток разделяют на две части посредством деления токопровода с первичным током на две ветви, одна из которых содержит большую индуктивность, другая ветвь содержит малую индуктивность, причем внутренняя постоянная времени обоих ветвей токопровода больше постоянной времени изменения первичного тока. Ветвь с большой индуктивностью получила название индуктивный шунт. [Кучма К.Г. и др. «Защита от токов короткого замыкания в контактной сети» М. Трансжелдориздат, I960 г. с. 171-174.] [9]. В нем используется непосредственно первичный ток. Информацию о токе передают на измерительное устройство путем вычитания друг из друга магнитных полей обоих ветвей. Этот способ по быстродействию выше, чем способ с использованием простого электромагнитного реле, что особенно важно при близких коротких замыканиях с большими токами короткого замыкания. Это обеспечило широкое распространения устройств с индуктивным шунтом. В этом способе выше помехоустойчивость по отношению к внешним магнитным полям, чем в аналогах, так как вычитанию подлежат магнитные поля, созданные большим первичным током.
Этот способ по своим признакам наиболее близок к способу по изобретению, обладая важным свойством - помехоустойчивостью.
Недостатки прототипа
Недостаточно быстродействие, поскольку появление максимальной величины выходного сигнала, приводящей к срабатыванию наступает лишь по мере нарастания тока. Это приводит к увеличению токов отключения выключателей постоянного тока, являющихся конечными получателями сигналов в цепочке датчик параметров переходного процесса - защита - выключатель.
Недостаточное быстродействие приводит и к неточному измерению параметров изменения тока, так как в контролируемой сети есть элементы с нелинейной зависимостью своих свойств от величины тока. Также, при переходе части нагрузок, например электроподвижного состава, в генераторный режим работы, появляются искажения параметры изменения первичного тока.
Отсутствует фиксация начала изменения тока. Это не позволяет точно зафиксировать и измерить другие начальные параметры появления апериодического процесса, например, величины тока и напряжения, дополнительно облегчающие выявление аварийного режима, могущими быть полезными для некоторых защит.
Другим недостатком этого способа является зависимость выходного сигнала - магнитного потока в магнитопроводе не только от приращения тока, но и одновременно еще от двух величин: предшествующего тока и от скорости нарастания тока, взаимосвязь которых практически не регулируется в процессе эксплуатации. Приращение тока, выявительный признак апериодического процесса, в явном виде отсутствует, это снижает чувствительность защит, работающих от этого датчика.
Недостаточное быстродействие приводит к ограничению развития защит, так как становится недоступным появления защит с прогнозированием.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков.
С этой целью в известном способе получения выявительного признака апериодического изменения тока, при котором первичный ток разделяют на две части посредством деления токопровода с первичным током на две ветви, одна из которых содержит большую индуктивность, другая ветвь содержит малую индуктивность, причем внутренняя постоянная времени обеих указанных ветвей токопровода больше постоянной времени изменения первичного тока, дополнительно производят дифференцирование тока в ветви с меньшей индуктивностью с помощью первого дифференциатора и результаты дифференцирования тока первым дифференциатором используют как выходной сигнал или производят дифференцирование тока в ветви с большей индуктивностью с помощью второго дифференциатора и результаты дифференцирования тока вторым дифференциатором используют как выходной сигнал или результаты дифференцирования токов в обеих указанных выше ветвях первым и вторым дифференциаторами при их вычитании друг из друга, по отношению к первичному току, используют как выходной сигнал, или вычитают из результата дифференцирования тока в общей ветви токопровода третьим дифференциатором результат дифференцирования тока в одной из разделенных ветви токопровода, по отношению к первичному току, и его используют как выходной сигнал или из результаты дифференцирования токов в обеих указанных выше ветвях первым и вторым дифференциаторами вычитают друг из друга, по отношению к первичному току, причем из полученной разности вычитают результата дифференцирования тока в общей ветви токопровода третьим дифференциатором, вычитание производят по отношению к первичному току.
По максимальной величине приращения разности сигналов определяют величину будущего приращения первичного тока, а сам факт появления максимальной величины определяет момент появления апериодического процесса. Это позволяет учесть в этот момент другие начальные параметры, например, начальный ток, начальное напряжение в сети.
Дифференцирование осуществляют с помощью дифференциаторов, которые выполняют в виде катушек и располагают вдоль магнитного поля, создаваемого ветвями токопровода, магнитное поле внутри катушек может быть усилено магнитопроводом, а сами магнитопроводы дифференциаторов выполняют, предпочтительно, из магнитодиэлектриков.
Возможно равенство омического сопротивления обоих ветвей.
Возможно разделение дифференциаторов на две идентичные половины, расположенных по разные стороны ветви, при этом сигналы обоих половин каждого дифференциатора включают согласно между собой по отношению к внутреннему току токопровода датчика.
Из научно-технической и патентной литературы способ выявления апериодического процесса изменения тока, причем в первый момент появления этого изменения тока, неизвестен, поэтому заявляемый способ обладает новизной и существенными отличиями.
Датчик выявительного признака апериодического процесса изменения тока
Известен датчик выявительного признака апериодического процесса изменения постоянного тока [А. С. СССР №148450 Г.В. Могилевский «Автоматический быстродействующий выключатель постоянного тока», 1964 г.] [3]. В нем содержится токопровод, дифференциаторы, квадратор. В нем производят вычисление установившегося значения по текущему значению тока, первой производной тока и второй производной тока. Этот датчик не достаточно помехоустойчив, так аналоговые операции (дифференцирование, возведение в квадрат) производятся над малыми величинами, получаемые от дифференциатора. В сигналах производной тока подчеркиваются быстрые изменения сигналов помех. Выявление приращения тока производится на базе малых сигналов, соотношение сигнал / помеха невысокое. В этом датчике не выделяется сигнал о приращении тока.
Известен датчик выявительного признака апериодического процесса изменения постоянного тока [А. С. СССР №1774423 Ю.Л. Беньяш, Ю.В. Максименков «Устройство быстродействующей зашиты сети постоянного тока от коротких замыканий», 1989 г.] [7], в котором также происходит выявление установившейся величины тока в начальной стадии его изменения, однако выявление приращения тока также производится на базе малых сигналов, соотношение сигнал / помеха невысокое.
Известен датчик выявительного признака апериодического процесса изменения тока, который содержит токопровод с двумя ветвями, одна из которых содержит большую индуктивность, чем другая ветвь, причем постоянная времени ветви токопровода с большей индуктивностью больше постоянной времени изменения первичного тока. Оно получило название реле-дифференциальный шунт - РДШ. [Кучма К.Г. и др. «Защита от токов короткого замыкания в контактной сети» М. Трансжелдориздат, I960 г. с. 171-174.] [8]. Выходной сигнал образуют путем вычитания друг из друга магнитных полей обоих ветвей токопровода в общем для обеих ветвей магнитопроводе. В этом помехоустойчивость, так как вычитанию подлежат магнитные поля, созданные первичным током.
Этот датчик по своим признакам наиболее близок к датчику по изобретению и принят за прототип.
Недостатки прототипа
Недостатком известного датчика является невысокое быстродействие, поскольку появление максимальной величины выходного сигнала, приводящей к срабатыванию, наступает лишь по мере нарастания тока. Это приводит к увеличению токов отключения выключателей постоянного тока, являющихся конечными получателями сигналов в цепочке датчик параметров переходного процесса - защита - выключатель.
Недостаточное быстродействие приводит и к неточному измерению параметров изменения тока, так как в контролируемой сети могут быть элементы с нелинейной зависимостью своих свойств от величины тока. Также, при переходе части нагрузок, например электроподвижного состава, в генераторный режим работы, который также искажает параметры изменения первичного тока.
Недостаточное быстродействие приводит к ограничению развития защит, так как становится недоступным появления защит с прогнозированием.
Отсутствует фиксация начала изменения тока. Это не позволяет точно зафиксировать и измерить другие начальные параметры появления апериодического процесса, например, величины тока и напряжения, дополнительно облегчающие выявление аварийного режима, могущими быть полезными для некоторых защит.
Недостатком известного датчика зависимость выходного сигнала - магнитного потока в магнитопроводе, не только от приращения тока, но и одновременно от еще двух величин: предшествующего тока и от скорости нарастания тока, взаимосвязь которых практически не регулируется в процессе эксплуатации. Приращение тока, выявительный признак апериодического процесса в явном виде отсутствует, это снижает чувствительность защиты, работающей от этого датчика.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является устранение указанных выше недостатков.
Датчик выявительного признака апериодического процесса изменения тока, содержащий токопровод, который разделен на две параллельных ветви, одна из которых содержит большую индуктивность, другая ветвь содержит малую индуктивность, выход которого является выходом датчика, причем внутренняя постоянная времени обоих указанных ветвей токопровода больше постоянной времени изменения первичного тока, дополнительно содержит первый дифференциатор, установленный на ветви токопровода с малой индуктивностью, второй дифференциатор, установленный на ветви токопровода с большой индуктивностью, и его выход является выходом датчика или выходы первого и второго дифференциаторов соединены встречно между собой, по отношению к первичному току, и свободные выводы первого и второго дифференциаторов являются выходом датчика или выход третьего дифференциатора на общей ветви токопровода датчика, включен встречно с выходом второго дифференциатора, по отношению к первичному току, и свободные выводы второго и третьего дифференциаторов являются выходом датчика
Обе ветви токопровода могут быть выполнены с одинаковым омическим сопротивлением.
Каждый из дифференциаторов может быть разделен на две части, расположенных по разные стороны ветви, причем выходы этих частей соединены между собой согласно по отношению к внутреннему току токопровода датчика.
Дифференциаторы, представляют собой обмотку, одетую на незамкнутый магнитопровод, причем обмотка может быть размещена или в середине магнитопровода или по краям магнитопровода в виде двух полуобмоток, соединенных согласно между собой по отношению к внутреннему току ветви токопровода, на которой установлен дифференциатор.
Магнитопроводы дифференциаторов выполняют, предпочтительно, из магнитодиэлектриков.
Датчик апериодического процесса изменения тока может содержать блок выявления единичного приращения тока.
Краткое описание чертежей
На фигуре 1 показана схема замещения датчика выявления апериодического процесса изменения тока.
1.1 - общая ветвь токопровода;
1.2 - ветвь с малой индуктивностью;
1.3 - ветвь с большой индуктивностью;
1.4 - сосредоточенная индуктивность;
1.5 - первый дифференциатор ветви с малой индуктивностью;
1.6 - второй дифференциатор ветви с большой индуктивностью;
1.7 - сумматор;
1.8 - третий дифференциатор общей части токопровода.
1.9 - омическое сопротивление ветви с малой индуктивностью;
1.10 - омическое сопротивление ветви с большой индуктивностью;
На фиг. 1.2, 1.3 и 1.4 приведены кривые токов, проходящих по ветвям датчика и выходного сигнала сумматора 1.7.
1.11 - ток через общую ветвь токопровода;
1.12 - ток в ветви с малой индуктивностью;
1.13 - ток в ветви с большой индуктивностью;
1.14 - выходной сигнал первого дифференциатора 1.5.
1.15 - выходной сигнал второго дифференциатора 1.6.
На фиг. 2.1 показан пример воплощения датчика выявления приращения тока по способу, для случая контроля токов в сотни и тысячи ампер.
2.0 - токопровод датчика;
2.1 - общая ветвь токопровода;
2.2 - ветвь с малой индуктивностью;
2.3 - ветвь с большой индуктивностью;
2.4 - индуктивность;
2.5 - первый дифференциатор ветви с малой индуктивностью;
2.6 - второй дифференциатор ветви с большой индуктивностью;
2.7 - сумматор;
2.8 - третий дифференциатор общей ветви токопровода.
2.9 - прорезь между ветвями шины.
На фигурах 2.2 и 2.3 показан пример воплощений дифференциаторов ветвей токопровода.
2.5.1 и 2.5.2 - первый дифференциатор ветви 2.2, разбитый на две половины;
2.6.1 и 2.6.2 - второй дифференциатор ветви 2.3, разбитый на две половины;
2.8.1 и 2.8.2 - третий дифференциатор общей ветви токопровода 16, разбитый на две половины.
На фигурах 2.4, 2.5, 2.6 показаны примеры расположения дифференциаторов относительно токопровода и полуобмоток относительно магнитопровода,
2.10.1 - U-образной магнитопровод дифференциатора;
2.10.2 - П-образный магнитопровод дифференциатора;
2.10.3 - П-образный магнитопровод дифференциатора для полуобмоток;
2.11.1 - обмотка для U-образного магнитопровода;
2.11.2 - полуобмотка для U-образного магнитопровода;
2.11.3 - обмотка для П-образного магнитопровода;
2.11.4 - полуобмотка для П-образного магнитопровода.
На фигуре 2.7 показан вариант выполнения витого магнитопровода 2.4.1 с воздушным зазором 2.4.2 сосредоточенной индуктивности 2.4.
Описание предпочтительных воплощений
Способ получения выявительного признака апериодического процесса изменения тока и датчик выявительного признака апериодического процесса изменения тока описаны совместно, так как датчик реализует указанный способ.
Д
Схема на фигуре 2.1 показывает пример датчика, реализующего указанный выше способ. Используют токопровод 2.1, который в средней части разделяют на две ветви, на ветвь 2.2 с малой индуктивностью, в пределе имеющую нулевое значение и ветвь с большой индуктивностью 2.3, содержащей индуктивность 2.4. Ветвь с малой индуктивностью 2.2 имеет омическое сопротивление 1.9, ветвь с большой индуктивностью 1.3 имеет омическое сопротивление 1.10. Внутренняя постоянная времени Т цепи из обоих ветвей:
Д
1.9
1.10
Т=L/(R+R),
где L - суммарная индуктивность обоих ветвей;
1.9
1.10
R+R - сумма омических сопротивлений ветвей с большой и малой индуктивностями.
Малой индуктивностью ветви 2.2. пренебрегаем, поэтому за суммарную индуктивность принимаем только индуктивность ветви 2.3. Ветвь 2.2 с малой индуктивностью имеет первый дифференциатор 2.5, ветвь 2.3 с большой индуктивностью имеет второй дифференциатор 2.6. Выходом датчика могут служить выходы первого дифференциатора 2.5 или второго дифференциатора 2.6, возможно одновременное использование первого и второго дифференциаторов 2.6 и 2.5, включив их выходы встречно друг другу, по отношению к первичному току, свободные выходы, которых будут выходом датчика. На общей ветви токопровода 2.1 может находиться третий дифференциатор 2.8, для получения производной первичного тока, полезной в некоторых случаях.
Ветвь с малой индуктивностью 2.2 конструктивно не содержит своей собственной индуктивности. Незначительная индуктивность все-таки имеется, потому что рядом с ветвью 2.2 находится сосредоточенная индуктивность 2.4 ветви 2.3, и созданный ветвью 2.2 магнитный поток неизбежно будет частично проходить через индуктивность 2.4. Поэтому магнитопровод индуктивности 2.4 будет играть роль небольшой индуктивности и для ветви 2.2. Возможно нахождение вблизи токопровода других ферромагнитных конструктивных элементов, однако важно, что итоговая индуктивность ветви 2.2 пренебрежимо мала по сравнению с индуктивностью ветви 2.3.
внешн
2внеш
3внеш
внутр
2внешн
2внутр
внутр
Первичный он же внешний для токопровода ток i разветвляется в ветвях 1.2 и 1.3 на токи i и i, которые являются входными токами для дифференциаторов 1.5 и 1.6. Во время изменения внешнего тока, протекающего по токопроводу 1.1, по ветвям 1.2 и 1.3 будет протекать внутренний ток токопровода i, являющийся электромагнитной реакцией токопровода на изменение внешнего тока. В силу этого он содержит в себе информацию о параметрах изменения внешнего тока, которые и выявляется с помощью операций дифференцирования токов, а также выполнением ветвей токопровода асимметрично по индуктивным свойствам. Реальные токи ветвей 1.2 и 1.3 определяются наложением на доли внешнего тока по ветвям, внутреннего тока. Под долями внешнего тока понимаются токи, которые бы протекали бы по ветвям при неизменном внешнем токе или же в отсутствии сосредоточенной индуктивности. Внешний ток в ветви с малой индуктивностью i по направлению совпадает с внутренним током i, в ветви с большой индуктивностью внешний ток направлен встречно внутреннему току. Внутренний ток за пределы ветвей 1.2 и 1.3 не выходит. При отсутствии индуктивности 1.4 внутренний ток i не возникает.
внешн
внешн
Фигура 1.1 показывает токи всех ветвей датчика: первичный, он же внешний, ток i, протекающий по общей ветви токопровода 1.1 кривой 1.11. Кривая 1.12 представляет реальный ток в ветви 1.2 с малой индуктивностью. Кривая 1.13 представляет реальный ток в ветви 1.3 с большой индуктивностью. В любой момент времени сумма токов 1.12 и 1.13 является током 1.11. Особенности тока в общей ветви 1.1 - i определяется процессами в электрической сети вне устройства выявления апериодического процесса.
cp
Индуктивность 1.4 вытесняет ток из своей ветви 1.3 в ветвь 1.2, тем интенсивней, чем интенсивнее изменяется внешний ток 1.11. Вследствие этого возможно появление «горба» у кривой 1.12, при разных значениях постоянных времени внешнего и внутреннего токов датчика. Срабатывание по прототипу определяется разностью токов кривых 1.12 и 1.13, которая приводит к максимальной величине магнитного потока в магнитопроводе прототипа, наступающей в момент времени t, раньше, чем приращение первичного тока достигает своей максимальной величины ΔI, что уменьшает время срабатывания у прототипа. В свое время это свойство обеспечило широкое использование прототипа. Помехоустойчивость прототипа обеспечивают использованием токов в ветвях, которые по величине соразмерны внешнему току.
Для аналитического определения токов в ветвях устройства, воспользуемся известной формулой токов в ветвях устройства, принятого за прототип, по книге [Кучма К.Г. и др. «Защита от токов короткого замыкания в контактной сети» М. Трансжелдориздат, I960 г. стр. 173, формула 221] [9]. Схема замещения по изобретению совпадает со схемой замещения по прототипу. Разность токов в ветвях 1.2 и 1.3 равна:
где: ΔI - приращение тока;
Д
Т - постоянная времени внутреннего тока;
1
T - постоянная времени внешнего тока;
1.2
i - ток в ветви 1.2;
1.3
i - ток в ветви 1.3.
Д
1
1
Д
Учитывая преобладание величины Т над величиной T, получим (T-Т) ≈ -Тд, что позволяет принять выражение
Тогда уравнение (1) запишем так:
1.2
Выделим отдельно токи в ветви с малой индуктивностью i и с большой индуктивностью.
Производные этих токов будут равны:
При дифференцировании левой и правой части уравнения 1, и учитывая, (2) получим:
При , влиянием величины второго члена  в разности (3) можно пренебречь, и тогда разность производных тока в обоих ветвях будет практически пропорциональна величине приращения тока. Отсюда получим:
Отметим, что ΔI определяют в начальный момент времени появления внешнего апериодического процесса.
2
3
0
Выходной сигнал дифференциатора 1.5 - i' представлен кривой 1.14 на фигуре 1.3. Выходной сигнал дифференциатора 1.6 - i' представлен кривой 1.15 на фигуре 1.4. Оба сигнала максимальны в первый момент времени появления приращения t. и их максимумы могут служить для определения приращения тока, хотя в их сигналах будет примесь от производных долей внешнего тока, проходящих через эти дифференциаторы.
При совместном использовании обоих сигналов, а именно при вычитании их сигналов друг из друга, по отношению к внешнему току, сигналы по отношению к внутреннему току их сигналы будут складываться, а сигналы от производных долей внешнего тока будут компенсировать друг друга. В этом случае и будет использована формула 7, а измерение приращения будет наиболее точным.
Сигналы первого и второго дифференциаторов по отдельности и совместно могут быть выявительным признаком апериодического процесса изменения внешнего тока.
Сочетание дифференциатора 1.5 с третьим дифференциатором 1.8 на общей ветви токопровода при вычитании их сигналов, может быть полезным в сетях постоянного тока с большим уровнем гармонических составляющих, для их исключения в выходном сигнале датчика.
cp
Величина приращения тока, вычисленная аналоговым образом, путем решения уравнения (7) схемой по фигуре 1.1 и получаемая в первый момент появления приращения тока, является, по сути, прогнозом приращения тока. В прототипе же отключающий сигнал появляется, как уже было указано, по мере возрастания внешнего тока, в момент времени t.
внутр
внешн
Также важно, что собственная постоянная времени затухания внутреннего тока токопровода i, больше постоянной времени внешнего тока i. При испытаниях макета датчика внутренняя постоянная времени приближалась к 1с, чему способствует и равенство омических сопротивлений внутренних ветвей датчика. Постоянные времени токов короткого замыкания в метрополитене достигают 0,15 - 0,2 с, на магистральных железных дорогах они достигают величин в 0,03 с.
При использовании дифференциаторов для передачи информации о приращении тока, постоянные составляющие токов ветвей токопровода не передаются. Это исключает подмешивание установившихся токовых сигналов в выходной сигнал по способу. В этом есть еще одно отличие от прототипа.
В двух других парах дифференциаторов внутренний ток будет использован один раз и его влияние будет меньшим.
В способе и датчике цепь с большой постоянной времени обтекается большим первичным током, а не вторичными токами, как в аналогах, что и обеспечивает высокое соотношение сигнал / помеха, в отличие от аналогов.
В создании выходного сигнала должен участвовать хотя один дифференциатор из первого и второго дифференциаторов, поскольку только они обтекаются внутренним током, содержащим информацию о величине приращения внешнего тока. Третий дифференциатор может быть полезен для компенсации гармонических составляющих, выделяемых вторым дифференциатором на ветви с малой индуктивностью, а также для получения информации о начальной скорости нарастания тока для некоторых защит.
Учитывая, что дифференциаторы 1.7 и 1.8, выполненные в виде катушек с незамкнутым магнитопроводом, они могут выявить также и внешние изменяющиеся магнитные поля, снижая тем самым помехоустойчивость. Встречное включение обмоток указанных выше пар дифференциаторов, позволяет компенсировать проявления внешних переменных магнитных полей от удаленных источников этих полей, поскольку они являются синфазными для обмоток датчиков. А сигналы дифференциаторов вычитаются друг из друга, обеспечивая компенсацию наводок.
Пример выполнения датчика по способу приведен на фигуре 2.1. Учитывая большие первичные токи, в тысячи ампер, токопровод выполняют из шины, медной или алюминиевой, или иного проводника, примерно в середине токопровода выполнена прорезь, разделяющая среднюю часть токопровода на две ветви. Сосредоточенная индуктивность 2.4 на ветви с большой индуктивностью 2.3 может быть набрана из пластин с зазором, необходимых для одевания пластин на шину и для обеспечения линейных характеристик магнитопровода. Для магнитопровода в прорези предусмотрен паз. Возможно ее выполнение и из витого магнитопровода с двумя разрезами, как показано на фигуре 2.7.
Равенство омических сопротивлений двух ветвей токопровода обеспечивают с учетом этого паза для размещения магнитопровода. Равенство необходимо для минимизации внутреннего омического сопротивления и отсутствия реакции на начальное значение тока, предшествовавшего изменению тока.
Выполнение магнитопровода дифференциаторов из магнитодиэлектрика необходимо для сохранения крутизны переднего фронта сигналов дифференциаторов.
ветви
внеш
Уменьшению влиянию внешних полей служат и особенности выполнения дифференциаторов, показанные на фигурах 2.2, 2.3 и 2.6. Дифференциаторы по фиг. 2.2 и 2.3 могут быть выполнены из двух половин, расположенных по обеим сторонам токопровода, с согласным включением обмоток половин дифференциаторов между собой по отношению к внутреннему тока. Например, дифференциатор 2.5 состоит из двух идентичных половин, 2.5.1 и 2.5.2. Индукция собственного поля ветви В наводит напряжение в полуобмотках согласно друг другу и будет суммироваться, а индукция внешнего поля В наводит в обмотках напряжение взаимно компенсирующее.
Выполнение магнитопровода 2.11.1 дифференциатора по фиг. 2.4 U-образным облегчает сборку дифференциатора, также как и разделение обмотки 2.11.3 на две полуобмотки при П-образном магнитопроводе.
ветви
внеш
Кроме того, выполнение обмоток из двух полуобмоток, как 2.11.2 м 2.11.4 на фигурах 2.4 и 2.6, уменьшают влияние внешних полей, аналогично эффекту, достигаемому разделением дифференциаторов на две половины, приведенное на фигуре 2.2. При включении полуобмоток согласно на внутреннее поле В, внешнее поле В будут создавать взаимно компенсирующие напряжения в полуобмотках, поскольку они встречно направлены.
Выполнение выходных проводов датчика в виде витой пары и наличие дифференциальных входов у приемника информации с датчика, также повышает помехоустойчивость. Последние приемы используются в сети Ethernet.
О формировании выходного сигнала приращении тока
Выходные сигналы дифференциаторов 1.14 и 1.15 имеют затухающий характер, определяемый в основном, внутренней постоянной времени. Интерес для защит представляет лишь фронты сигналов. Для дальнейшего анализа сигналов, запоминают его амплитуду на время, достаточное для проведения аналитических операций устройством защиты. Для фиксации максимума сигнала используют блок выборки и хранения. Возможный вид выходного сигнала датчика показан на фигуре 3.1 прямоугольным сигналом 3.1.
Для некоторых сетей постоянного тока характерно появление нескольких приращений тока подряд. Три приращения первичного тока, идущих подряд, показаны на фигуре 3.2. Анализу подвергают каждое приращение отдельно. Пример нескольких приращений тока показан на фигуре 3.2 отрезками кривых 32.1 и 32.2. При сбросе тока, третье приращение тока 32.3. будет получено с отрицательным знаком, как показано на фигуре 3.2. После использования импульса 3.1 защитами, выходной сигнал должен быть обнулен, чтобы соседние приращения тока не суммировались, как показано импульсами 33.1, 33.2 и 33.3.
Методы выделения отдельного приращения полезного сигнала известны. Они основаны на сравнении текущего значения первичного сигнала с задержанным значением этого же сигнала. Примеры выполнения блока выборки и хранения показаны в приложении. Блоки выборки и хранения конструктивно удобнее выполнять в составе защит, как однородный с ними объект.
Список использованных источников
1. ИНСТРУКЦИЯ по выбору уставок защит терминала ЦЗАФ-3,3. (дополнение к части 1-ой «Руководящих материалов по релейной защите систем тягового электроснабжения», ЦЭ ОАО «РЖД», 2005 г., с. 12, 1-й абз. сверху.
2. Чернобровов А.В. «Релейная зашита» М., Энергия, 1974, стр. 26.
3. Кучма К.Г. и др. «Защита контактной сети постоянного тока от коротких замыканий» М. Трансжелдориздат, I960 г. с. 155.
4. А. С. СССР №148450 Г.В. Могилевский «Автоматический быстродействующий выключатель постоянного тока», 1964 г.
5. А. С. СССР №792419 Ю.Л. Беньяш, В.Н. Пупынин «Устройство для защиты тяговой сети постоянного тока от тока короткого замыкания», 1980 г.
6. А. С. СССР №834813 Ю.Л. Беньяш, В.Н. Пупынин и А.Е. Данцкер «Устройство для защиты тяговой сети от тока короткого замыкания», 1981 г.
7. А. С. СССР №792420 Ю.Л. Беньяш, В.Н. Пупынин «Устройство для защиты сети постоянного тока от тока короткого замыкания», 1981 г.
8. А. С. СССР №1781763 Ю.Л. Беньяш, Ю.В. Максименко «Устройство для быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий», 1992 г.
9. Кучма К.Г. и др. «Защита от токов короткого замыкания в контактной сети» М. Трансжелдориздат, I960 г. с. 171-174.
10. Кучма К.Г. и др. «Защита от токов короткого замыкания в контактной сети» М. Трансжелдориздат, I960 г. с. 173, формула 221.
11. А. С. СССР №1781763 Ю.Л. Беньяш, Ю.В. Максименко «Устройство для быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий», 1992 г. фиг. 6.
12. А. С. СССР №983868 Ю.Л. Беньяш, К.Г. Марквардт и В.Н. Пупынин «Устройство для защиты тяговой сети постоянного тока», 1982 г.
Приложение
Ниже рассмотрены две разновидности блока выделения единичного приращения сигнала, один для обработки сигналов в аналоговой форме, второй удобнее при обработке сигналов дискретными методами.
Блок выделения единичного приращения, известен из аналога, например по [а. с. СССР №1774423 Ю.Л. Беньяш, Ю.В. Максименков «Устройство быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий», 1989 г., фиг. 6] [10]. На фиг. 4 приведено воплощение блока в аналоговом виде.
Разностный усилитель 4.4 пропускает разность между текущим сигналом и задержанным сигналом с помощью R-C цепочки на элементах 4.2 и 4.3. После появления на выходе элемента 4.4 сигнала, достаточного для срабатывания компаратора 4.5, то есть выявления единичного приращения сигнала. Этот компаратор отсеивает небольшие по величине приращения сигнала, не представляющие интереса. С помощью временных задержек 4.6 и 4.7 и ключей 4.8 и 4.9 и происходит сброс запомненного значения сигнала на элементе 4.3 до текущего сигнала, после его выявления. Временные задержки нужны для удлинения выходного сигнала 4.10 на время, достаточное для анализа этого сигнала последующими устройствами.
Известен метод выявления величины изменения сигнала путем использования «скользящего окна наблюдения». Длительность окна наблюдения фиксирована, таких окон несколько, их начала сдвинуты относительно друг друга.
Известно также устройство для выделения единичного приращения контролируемого параметра по [А. С. СССР №983868 Ю.Л. Беньяш, К.Г. Марквардт и В.Н. Пупынин «Устройство для защиты тяговой сети постоянного тока», 1982 г.] [11]. На фиг. 5 приведено его воплощение.
На выходах генератора импульсов 5.5 поочередно появляются сигналы, управляющие состоянием блоков памяти и ключей. При наличии сигнала на управляющем входе блока памяти, сигнал на выходе блока памяти повторяет сигнал на его входе. При наличии сигнала на управляющем входе ключа он открыт и сигнал проходит со входа на выход, при отсутствии сигнала на управляющем входе блока памяти, блок памяти хранит информацию, предшествующей появлению сигнала на его управляющем входе, ключ находится в разомкнутом состоянии.
Работа примера устройства состоит из трех тактов. Длительность такта определяется длительностью сигнала на выходе генератора импульсов. При наличии сигнала на левом по схеме выходе генератора импульсов 5.5 (сигналы на остальных выходах при этом отсутствуют) сигнал на выходе блока памяти повторяет входной сигнал. На выходах, блоков памяти 5.3 и 5.4 хранятся сигналы, соответствующие контролируемому сигналу в моменты окончания сигнала на управляющих входах этих блоков. При наличии сигнала на среднем по схеме выходе генератора импульсов 5.5 сигнал на выходе блока 5.3 памяти повторяет входной сигнал.
Для выявления и кратковременной фиксации крутых приращений сигнала с выхода датчика необходимо небольшое числе цепей, состоящих из блока памяти и ключа, устройство практически непрерывно выявляет приращение контролируемого сигнала за интервал времени, непосредственно предшествующий текущему моменту измерения. Такое решение позволяет увеличить интервал наблюдения за появлением скачка сигнала, в то же время имеет высокое быстродействие, которое определяется сдвигом по времени тактов хранения информации. На выходах 4.10 и 5.10 обоих рассмотренных устройств при входных сигналах типа 3.3 будут сигналы, описанные импульсами 3.4.