УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Полезная модель относится к области контроля качества электроэнергии и предназначена для измерения напряжения нулевой последовательности (ННП) в трехфазных электрических сетях.
В практике систем электроснабжения 0,4 кВ любого предприятия или хозяйства важно постоянно контролировать величину относительного значения напряжения нулевой последовательности (ННП). Знание величины ННП силового трансформатора подстанции позволяет энергетику предприятия оценивать неуравновешенность ЭДС обмоток, уровень его загрузки магнитным полем нулевой последовательности, возбуждающим в стальном кожухе токи Фуко и механическую вибрацию с частотой 100 Гц, а также возможность нормальной работы на сеть 0,4кВ по критерию, установленному в ГОСТ 13109-97 на качество электроэнергии, допускающему 2-х процентное значение коэффициента ННП или - 4-х процентное, но имеющее место не более 5% общего времени.
Знание величины ННП на клеммах электроприемника позволяет энергетику предприятия оценивать неуравновешенность нагрузок в данной точке сети и даже потери энергии, в основном, косвенно - через токи нулевой последовательности и ток нейтрали. Если известны величины ННП в начале и конце линии, то по их разнице с помощью закона Ома возможно определить величину тока нейтрали.
Известен прибор для измерения напряжения нулевой последовательности в трехфазной сети переменного тока с глухозаземленной нейтралью (Богданова Н.И., Терехина Л.П., Павлов А.Ф. Измерение несимметрии напряжения в трехфазных сетях с заземленной нейтралью// Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства. Сб. науч. тр.: - Ставрополь, ССХИ, 1983, 70 с., с. 37…39.) [1], содержащий фильтр токов нулевой последовательности, выполненный на основе резисторов, соединенных в звезду, подключенный входом к трехфазной сети переменного тока, выходом к первому выводу диагонали переменного тока выпрямительного моста, второй вывод которой соединен с нулевым проводом сети, а в диагональ постоянного тока включен миллиамперметр и катушка электромагнитного реле, причем замыкающий контакт электромагнитного реле подключен параллельно миллиамперметру. Недостаток заключается в том, что при срабатывании электромагнитного реле возможен дребезг контакта, что неблагоприятно отражается на работе миллиамперметра, может значительно превышать допустимое значение, указываемое стрелкой по шкале прибора. В результате этого возможен его выход из строя. Кроме того, снижается точность измерений за счет относительно высокого потенциала, создаваемого падением напряжения на обмотке реле и двух открытых диодах выпрямительного моста, величина которого должна быть более 3В, а номинальные величины ННП на выходе (узле) резистивной звезды составляют значения от 2,2 В до 4,4 В (что соответствует 1,0% и 2,0% в относительном измерении ННП) и, следовательно, определяются с высокой погрешностью.
Известен прибор для измерения напряжения нулевой последовательности по полезной модели №28401 [2], содержащий фильтр токов нулевой последовательности, выполненный на основе резисторов, соединенных в звезду, подключенный входом к трехфазной сети переменного тока, выходом к первому выводу диагонали переменного тока выпрямительного моста, второй вывод которой соединен с нулевым проводом сети, а в диагональ постоянного тока включен миллиамперметр и катушка электромагнитного реле, связанного с реле времени и магнитным пускателем.
Недостатком устройства является низкая точность измерений, которая снижается за счет относительно высокого потенциала, создаваемого падением напряжения на катушке электромагнитного реле и двух открытых диодах выпрямительного моста, величина которого должна быть более 3В, а номинальные величины ННП на выходе (узле) резистивной звезды составляют значения от 2,2 В до 4,4 В (что соответствует 1,0% и 2,0% в относительном измерении ННП) и, следовательно, определяются с высокой погрешностью.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение точности работы, т.е. улучшение функциональных возможностей устройства измерения напряжения нулевой последовательности.
Устройство измерения напряжения нулевой последовательности по варианту 1, содержащее фильтр токов нулевой последовательности, выполненный на основе резисторов, соединенных в звезду, подключенный входом к трехфазной сети переменного тока, выходом к первому выводу диагонали переменного тока выпрямительного моста, а в измерительную диагональ постоянного тока включен электроизмерительный прибор, при этом согласно полезной модели в качестве выпрямительного моста используется четырехдиодный мост, а параллельно электроизмерительному прибору в измерительную диагональ постоянного тока включен стабилитрон, при этом в качестве диодов использованы диоды Шоттки на базе перехода «n-полупроводник- металл».
При этом параллельно электроизмерительному прибору в измерительную диагональ постоянного тока дополнительно включен конденсатор.
Устройство измерения напряжения нулевой последовательности по варианту 2, содержащее фильтр токов нулевой последовательности, выполненный на основе резисторов, соединенных в звезду, подключенный входом к трехфазной сети переменного тока, выходом к первому выводу диагонали переменного тока выпрямительного моста, а в измерительную диагональ постоянного тока включен электроизмерительный прибор, при этом согласно полезной модели в плечи выпрямительного моста включены два диода и два резистора, а параллельно электроизмерительному прибору в измерительную диагональ постоянного тока включен стабилитрон, при этом в качестве диодов использованы диоды Шоттки на базе перехода «n-полупроводник - металл».
При этом параллельно электроизмерительному прибору в измерительную диагональ постоянного тока дополнительно включен конденсатор.
Графические материалы, поясняющие полезную модель.
Фиг. 1 - схема устройства измерения напряжения нулевой последовательности по варианту 1.
Фиг. 2 - схема устройства измерения напряжения нулевой последовательности по варианту 2.
1
Заявляемое устройство измерения напряжения нулевой последовательности по варианту 1 (фиг.1) содержит фильтр 1 токов нулевой последовательности, выполненный на основе прецизионных резисторов 2, 3, 4 класса точности 0,1%, соединенных в звезду. Вход фильтра 1 подключен к трехфазной сети переменного тока А, В, С, N с глухозаземленной нейтралью, а его выход, т.е. средняя точка N звезды резисторов, подключена через диагональ переменного тока четырехдиодного выпрямительного моста 5 к нейтрали N сети.
В качестве диодов 9 выпрямительного моста использованы диоды Шоттки на базе перехода «n-полупроводник - металл».
К диагонали постоянного тока выпрямительного моста 5 подключен электроизмерительный прибор - миллиамперметр 6 магнитоэлектрической системы со шкалой «0…1 мА» (например, типа М42300, класс точности 1,5; внутреннее сопротивление 420 Ом).
Параллельно миллиамперметру 6 подключен стабилитрон 7 (например, типа КС 168 на 6,8 В), для того чтобы обратное импульсное напряжение на диодах не превысили 6,8 В (т.к. допустимое обратное напряжение диодов Шоттки - 20 В).
Параллельно миллиамперметру 6 может быть подключен конденсатор 8. Конденсатор 8 выполняет функции накопительного и сглаживает пульсации тока на миллиамперметре, повышая точность и, следовательно, надежность измерений.
Прибор для измерения напряжения нулевой последовательности по варианту 1 работает следующим образом.
При подключении входа звезды 1 резисторов к клеммам А, В, С, N в цепи нейтрали возникает ток нейтрали пропорционально напряжению нулевой последовательности.
Ток переменный превращается в постоянный с помощью выпрямительного моста 5, в измерительную диагональ которого включен миллиамперметр 6 магнитоэлектрической системы, имеющий линейную шкалу и высокую чувствительность, вплоть до единиц мА (например, типа М42300, 42100). Если измерить этот ток, то можно определить по градуированной шкале электроизмерительного прибора это напряжение нулевой последовательности данной сети.
Заявляемое устройство измерения напряжения нулевой последовательности разработано для постоянного инструментального контроля в промышленной сети 0,4кВ величины относительного значения ННП в пределах 0…10%.
Визуальный контроль с помощью заявляемого устройства может выполняться с использованием стандартного щитового электроизмерительного прибора (миллиамперметра) магнитоэлектрической системы со шкалой «0…1 мА» (типа М42300, класс точности 1,5; внутреннее сопротивление 420 Ом). Шкала с диапазоном величин 0…1,0 мА линейна и эквивалентна в соответствующем масштабе диапазону 0…10,0% величины, и выбрана из условий, с одной стороны - для обеспечения малого потребления энергии резистивной звездой 1, с другой - для значительного превышения величин полезных сигнальных токов над величинами паразитных токов утечек полупроводниковых вентилей (порядка единиц микроампер), используемых для преобразования сигналов переменного напряжения сети в сигналы пульсирующих токов с частотой 100 Гц, необходимых для функционирования электроизмерительного прибора.
Величину относительного значения ННП с помощью заявляемой полезной модели определяют косвенно посредством измерения тока нулевой последовательности в цепи нейтрали симметричной резистивной звезды (фиг.1) и формируют в виде тока со следующей градуировкой на электроизмерительном приборе: величина измеренного тока 1,0 мА соответствует величине 10,0% коэффициента ННП.
Применение в плечах диодного моста обычных кремниевых диодов на базе «p-n» перехода, типа Д223 и т.п., приводит к значительной аддитивной погрешности, поскольку падение напряжения на подобных двух последовательно включенных открытых диодах составляет 1,2 В при токе 1 мА и 1,0 В при токе 0,1 мА (составляющих рабочий диапазон), а 1% ННП имеет величину 2,2 В. Следовательно, погрешность измерения с такой большой, в среднем 1,1 В, зоной нечувствительности будет недопустимой. (Отметим, что применение германиевых диодов тоже нежелательно ввиду значительной величины их обратного тока, порядка десятков микроампер, да еще сильно зависящего от температуры).
Использование диодов Шоттки на базе перехода «n-полупроводник - металл» значительно снижает эту погрешность. Напряжения открытых диодов Шотки типа 1n5818 в 3,3 раза меньше, чем для диодов Д223, это позволяет уменьшить погрешность линеаризации реальной статической характеристики устройства до приемлемого уровня в заданной рабочей области значений ННП и даже компенсировать до нуля аддитивную погрешность, вносимую диодами на самом важном ее участке, в области изменения относительной величины ННП, от 2% до 4%, которая является предметом количественной регламентации по ГОСТ 13109-97.
Диоды Шоттки имеют важную особенность - допустимая величина обратного напряжения (когда положительный потенциал приложен к катоду) не должна превышать 20 В. В переходных же процессах, например, при обрыве одной фазы сети, в первый момент ННП может иметь величину более 100 В, и поскольку миллиамперметр имеет внутреннее сопротивление индуктивного характера, а следовательно, в нем ток не может измениться скачком, то импульс напряжения большой амплитуды приложится к закрытым диодам выпрямительного моста, и они могут пробиться (что реально и случается).
Ограничить амплитуду этого импульса можно с помощью стабилитрона 7 (например, типа КС168, с напряжением стабилизации 6,8 В), включенного параллельно электроизмерительному прибору 6.
Конденсатор 8, включенный параллельно электроизмерительному прибору 6, выполняет функции накопительного и сглаживает пульсации тока на миллиамперметре, повышая точность и, следовательно, надежность измерений.
1
Устройство измерения напряжения нулевой последовательности по варианту 2 (фиг.2) содержит фильтр 1 токов нулевой последовательности, выполненный на основе прецизионных резисторов 2, 3, 4 класса точности 0,1%, соединенных в звезду. Вход фильтра 1 подключен к трехфазной сети переменного тока А, В, С, N с глухозаземленной нейтралью, а его выход, т.е. средняя точка N звезды резисторов, подключена через диагональ переменного тока выпрямительного моста 5 к нейтрали N сети. К диагонали постоянного тока выпрямительного моста 5 подключен электроизмерительный прибор 6-миллиамперметр магнитоэлектрической системы со шкалой «0…1 мА» (например, типа М42300, класс точности 1,5; внутреннее сопротивление 420 Ом).
В плечи выпрямительного моста 5 включены два диода 10,11 и два резистора 12, 13. В качестве диодов 10,11 использованы диоды Шоттки на базе перехода «n-полупроводник - металл».
Параллельно миллиамперметру 6, который имеет два диапазона измерений, подключен стабилитрон 7 (например, типа КС168, с напряжением стабилизации 6,8 В).
Параллельно миллиамперметру 6 может быть подключен конденсатор 8. Конденсатор 8 выполняет функции накопительного и сглаживает пульсации тока на миллиамперметре, повышая точность и, следовательно, надежность измерений.
Прибор для измерения напряжения нулевой последовательности по варианту 2 работает следующим образом:
в один полупериод переменного тока нейтрали резистивной звезды открыт один из диодов, например, 10, в другой полупериод - другой диод, например, 11. При этом по милиамперметру 6 будет протекать некоторая часть тока, величина которой пропорциональна соотношению делителя тока на резисторах 12,13, пульсирующего тока нейтрали резистивной звезды, среднее значение которого и будет пропорционально ННП, что и требуется для правильной и точной работы измерителя ННП. Другая часть пульсирующего тока будет протекать через резистор соответствующего плеча, например, 12 (или 13), что, потребует увеличения рабочей мощности резисторов звезды данного варианта, по сравнению с вариантом 1.
Заявляемая полезная модель может быть широко использована в качестве простого и надежного устройства для постоянного инструментального контроля величины относительного значения ННП в трехфазных электрических сетях 0,4кВ любого предприятия или хозяйства.
Источники информации.
1. Богданова Н.И., Терехина Л.П., Павлов А.Ф. Измерение несимметрии напряжения в трехфазных сетях с заземленной нейтралью// Электрификация и автоматизация сельскохозяйственного производства. Сб. науч. тр.: - Ставрополь, ССХИ, 1983, 70 с.
2. Полезная модель №28401 Прибор для измерения напряжения нулевой последовательности и защиты электродвигателя от несимметрии напряжений фаз трехфазной сети переменного тока с глухозаземленной нейтралью. Опубликовано 20.03.2003, прекратил действие - наиболее близкий аналог.