УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ

Полезная модель относится к области контроля качества электроэнергии и предназначена для определения величины среднего значения напряжения нулевой последовательности третьей гармоники в трехфазных электрических сетях 0,4 кВт с нейтралью.
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 0,4 кВ 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 [1].
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.
Известно устройство измерения нулевой последовательности по патенту на полезную модель №120495 [2]. Известное устройство измерения напряжения нулевой последовательности по одному из вариантов, содержит 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 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. Техническим результатом известного устройства является повышение точности работы, т.е. улучшение функциональных возможностей устройства измерения напряжения нулевой последовательности. Недостатком является то, что устройство определяет напряжение нулевой последовательности основной гармоники, а напряжения 3-й гармоники оно уменьшает усреднением после двухполупериодного выпрямления.
Для мониторинга качества напряжения нужно знать величину 3-й гармоники, как наиболее важный параметр с позиции потерь электроэнергии в нейтрали линии и питающем трансформаторе.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является подавление сигнала частотой 50 Гц и выделение сигнала частотой 150 Гц, т.е. 3- ей гармоники с помощью резистивно-емкостного ТТ-моста, настроенного на подавление сигнала напряжения сети частотой 50 Гц
Технический результат достигается тем, что в устройство измерения напряжения нулевой последовательности, содержащее фильтр токов нулевой последовательности, выполненный на основе резисторов, соединенных в звезду, подключенный входом к трехфазной сети переменного тока, и выпрямительный мост, в плечи которого включены два диода и два резистора, при этом в качестве диодов использованы диоды Шоттки на базе перехода «n-полупроводник - металл», а в измерительную диагональ постоянного тока включен электроизмерительный прибор, согласно полезной модели дополнительно включен резистивно-емкостный мост ТТ-мост, подключенный входом к выходу фильтра токов нулевой последовательности, а выходом, через первый резистор, к первому выводу диагонали переменного тока выпрямительного моста, при этом резистивно-емкостный ТТ-мост состоит из двух каналов для прохождения сигналов: дифференцирующего, где первая и вторая группы параллельно-последовательно соединенных конденсаторов соединены последовательно, и в рассечку которых включен первым выводом второй резистор; и интегрирующего канала, где третья группа конденсаторов включена в рассечку первой и второй групп резисторов, соединенных последовательно.
Полезная модель поясняется фигурой, на которой представлена принципиальная электрическая схема заявляемого устройства.
Перечень позиций.
1 - резистивный фильтр тока нулевой последовательности;
2 - резистивно-емкостный ТТ-мост;
3 - двухполупериодный выпрямительный мост;
4 - выход резистивного фильтра 1;
5 - первый резистор;
6 - выход резистивно-емкостного ТТ-моста 2
7 - первый вывод диагонали переменного тока двухполупериодного выпрямительного моста 3.
8 - дифференцирующий канал резистивно-емкостного ТТ-моста 2;
9 - выход резистивного фильтра 1;
10 - группа резисторов резистивного фильтра 1;
11 - первая группа параллельно-последовательно соединенных конденсаторов;
12 - вторая группа параллельно-последовательно соединенных конденсаторов;
13 - рассечка между первой 11 и второй 12 группами конденсаторов;
14 - второй резистор;
15 - первый вывод второго резистора 14;
16 - интегрирующий канал резистивно-емкостного ТТ-моста 2;
17 - группа параллельно соединенных конденсаторов;
18 - первая группа резисторов;
19 - вторая группа резисторов;
20 - рассечка между группами 18 и 19 резисторов;
21 - микроамперметр;
22, 23 - диоды Шоттки выпрямительного моста 3;
24, 25 - резисторы выпрямительного моста 3.
Заявляемое устройство состоит из соединенных последовательно-каскадно: резистивного фильтра 1 тока нулевой последовательности, резистивно-емкостного ТТ-моста 2 и двухполупериодного выпрямительного моста 3.
1
Фильтр 1 тока нулевой последовательности выполнен на основе прецизионных резисторов 10 (резисторов типа С2 - 29 В-0,25 Вт-6,04 кОм - 0,5%), соединенных в звезду. Вход фильтра 1 подключен к трехфазной промышленной сети переменного тока А, В, С, N с глухозаземленной нейтралью N, а его выход 4, т.е. средняя точка N звезды резисторов 10, подключен к резистивно-емкостному ТТ-мосту 2, выход 6 которого через первый резистор 5 подключен к первому выводу 7 диагонали переменного тока двухполупериодного выпрямительного моста 3.
Резистивно-емкостный ТТ-мост 2 служит для подавления сигнала напряжения основной частоты 50 Гц. Он состоит из двух каналов для прохождения сигналов: дифференцирующего 8 и интегрирующего 16.
Дифференцирующий канал 8 состоит из двух групп 11 и 12 параллельно-последовательно соединенных конденсаторов. Группы 11 и 12 соединены последовательно, в рассечку 13 которых первым выводом 15 включен второй резистор 14, вторым выводом (не обозначено) соединенный с нейтралью N.
Интегрирующий канал 16 содержит группу 17 параллельно соединенных конденсаторов, включенную в рассечку 20 двух соединенных последовательно групп резисторов: группу 18 резисторов и группу 19 резисторов, соединенных последовательно.
Резистивно-емкостный ТТ-мост 2 может быть реализован на следующей базе: группы резисторов 18, 19 - резистор типа С2 - 29 В-0,25 Вт-1,32 кОм - 0,5%; группы конденсаторов 11, 12, 17 - конденсатор типа К 77-1-1,2 мкФ ±2%.
В симметричные плечи выпрямительного моста 3 включены два диода 22, 23 и два резистора 24, 25. В качестве диодов 22, 23 использованы диоды Шоттки на базе перехода «n-полупроводник - металл» (типа 1n5818), резисторы 24, 25 типа С2- 29 В-0,25 Вт-3,40 кОм - 0,5% [3].
К диагонали постоянного тока выпрямительного моста 3 подключен электроизмерительный прибор 21 - амперметр, измеряющий ток в диапазоне 0…100 мкА (например, типа М42300, класс точности 1,5; внутреннее сопротивление 420 Ом).
Первый резистор 5 служит для точной, метрологической настройки устройства в целом при подаче на вход, при объединении входных зажимов А, В, С калибровочного сигнала нулевой последовательности частотой 150 Гц заданной амплитуды. В качестве первого резистора 5 может быть использован резистор типа С2-29 В-1,5 кОм - 0,25-1%.
Работа устройства.
На выходе резистивного фильтра 1 в общей точке 9 соединения групп каналов 8 и 16 образуется сигнал напряжения относительно нейтрали, пропорциональный величине амплитуд напряжений нулевой последовательности основной частоты (50 Гц) и всех высших гармоник, имеющихся в трехфазном напряжении сети, созданных действием нелинейных нагрузок. Нулевую последовательность имеют напряжения только гармоник, кратных трем, т.е. 3, 6, 9, 12, 15 и т.д. Величины амплитуд четных гармоник 6, 12, 18 и т.д. будут незначительны, в виду отсутствия в сети 0,4 кВ с нейтралью резкопеременных нагрузок, создающих постоянную составляющую тока. Амплитуда 9-й гармоники по логике соотношений коэффициентов ряда Фурье для сигнала наиболее тяжелого случая - меандра (прямоугольных импульсов), более, чем в три раза меньше амплитуды 3-й гармоники, поэтому при усреднении после двухполупериодного выпрямления ее влияние сойдет на нет. То же можно сказать о 15-й и более высоких гармониках.
Поэтому, если подавить напряжение нулевой последовательности основной частоты 50 Гц режекторным фильтром на базе резистивно-емкостного ТТ-моста 2, то измерению и обработке двухполупериодным выпрямителем 3 будет подвергаться только 3-я гармоника напряжения сети.
BX
B
H
B
B
Режекторный фильтр на базе резистивно-емкостного ТТ-моста 2 работает следующим образом. Входной ток I разделяется на два канала I и I. Там, где две группы конденсаторов включены последовательно, ток I1 получает упреждение по фазе на 120° на частоте 50 Гц и становится током I2 на выходе.
H
H
Η
B
Ток I1 получает задержку по фазе на 60° на частоте 50 Гц за счет группы конденсаторов 17 и становится током I2 на выходе 6 режекторного фильтра 2. Ток Ι2, алгебраически (векторно) складываясь с током I2, приходящим в эту точку 6 в противофазе: 120°-(-60°)=180° дает суммарный нулевой ток и,
следовательно, нулевой потенциал на частоте 50 Гц. Сигнал напряжения частотой 50 Гц будет подавлен.
При указанных выше параметрах резистивно-емкостного ТТ-моста 2 и выбранной точности элементов (резисторов и конденсаторов) подавление сигнала частотой 50 Гц составляет 28 дБ (в 10-20 раз), что вполне достаточно, чтобы сигнал основной частоты в максимально допустимом значении 6% от номинальной амплитуды, составил всего 0,3%, т.е. был на уровне шума.
Тогда сигнал 3-ей гармоники напряжений сети величиной 1…5% пройдет далее на двухполупериодный выпрямитель 3 и будет измерен микроамперметром 21.
Заявляемая полезная модель может быть широко использована в качестве простого и надежного устройства для постоянного инструментального контроля среднего значения напряжения нулевой последовательности третьей гармоники в трехфазных электрических сетях 0,4 кВт с нейтралью любого предприятия или хозяйства.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ.
1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения
2. Патент на полезную модель №120495 Устройство измерения нулевой последовательности. Опубликовано 20.09.2012. - наиболее близкий аналог.
3. Электрические измерения. Учебник для вузов. Под ред. А.В.Френке. Л.: Энергия. 1973, 424 с (стр.114).