Фильтр тока обратной последовательности на герконах
NEGATIVE SEQUENCE CURRENT FILTER ON REED SWITCHES

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к технике релейной защиты, и может быть использовано для защиты электроустановок от двухфазных коротких замыканий.
Известен фильтр тока обратной последовательности [Н.В. Чернобровов. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - С. 800], содержащий трехобмоточный трансреактор, первичные обмотки которого подключены к трансформаторам тока фаз А и С, активное сопротивление и двухобмоточный трансформатор, подключенные параллельно вторичной обмотке трансреактора.
Недостатком этого фильтра являются невозможность работы без трансформаторов тока, плохой информационный порог чувствительности, характеризующий уровень помех на выходе, и инерционность, обусловленную большой мощностью, потребляемой трансреактором от измерительных трансформаторов тока.
1
1
1
2
1
2
Известен фильтр тока нулевой последовательности [KZ 20853 МПК H02H 3/38, опубл. 16.02.2009], содержащий первый и второй герконы, исполнительный орган, первую и вторую обмотки, намотанные на первый и второй герконы, соответственно, первый усилитель, подключенный ко второй обмотке, первую фазоповоротную схему, входами подключенную к выходам первого усилителя, а выходами, через первый регулировочный резистор - к первой обмотке, причем первый и второй герконы с первой и второй обмотками закреплены на пересечении горизонтальной и первой вертикальной плоскостей N так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h=1,155d,  и  (в вертикальной плоскости), а второго - с точкой с координатами h=1,155d, , , где h - расстояние в вертикальной плоскости N от первой горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов, до плоскости F, в которой расположены токопроводы, γ (γ) - угол между первой горизонтальной линией и продольной осью первого (второго) геркона, х (х) - расстояние от центра тяжести первого (второго) геркона до первой вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А, d - расстояние между проводниками соседних фаз.
Недостатками этого фильтра являются невозможность выявления трехфазных коротких замыканий и токов перегрузки, а также неисправностей его элементов в промежутках между плановыми проверками.
Технический результат - расширение функциональных возможностей фильтра токов обратной последовательности на герконах и выявление неисправностей обмоток управления.
1
1
1
2
1
2
Технический результат достигается тем, что фильтр тока обратной последовательности так же, как и в прототипе, содержит первый и второй герконы, исполнительный орган, первую и вторую обмотки, намотанные на первый и второй герконы, соответственно, первый усилитель, подключенный ко второй обмотке, первую фазоповоротную схему, входами подключенную к выходам первого усилителя, а выходами, через первый регулировочный резистор - к первой обмотке, причем первый и второй герконы с первой и второй обмотками закреплены на пересечении горизонтальной и первой вертикальной плоскостей N так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h=1,155d,  и  (в вертикальной плоскости), а второго - с точкой с координатами h=1,155d, , , где h - расстояние в вертикальной плоскости N от первой горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов, до плоскости F, в которой расположены токопроводы, γ (γ) - угол между первой горизонтальной линией и продольной осью первого (второго) геркона, х (х) - расстояние от центра тяжести первого (второго) геркона до первой вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А, d - расстояние между проводниками соседних фаз.
2
3
4
3
4
3
1
4
2
3
1
4
2
l
Согласно изобретению третий и четвертый герконы расположены в той же горизонтальной плоскости, что и первый и второй герконы, на ее пересечении с второй вертикальной плоскостью N, находящейся от первой на расстоянии . Третий и четвертый герконы закреплены под углами γ и γ к второй горизонтальной прямой, проходящей через их центры тяжести, и на расстояниях х и х от второй вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А и пересекающей вторую горизонтальную линию, причем х=х, х=х и γ=γ, γ=γ. Контакты первого и четвертого герконов подключены к входу элемента ИЛИ, выход которого подключен к прямому входу элемента И с одним инверсным входом. Логическая часть подключена к выходу элемента И с одним инверсным входом, а выходом к исполнительному органу. Третья и четвертая обмотки намотаны на третий и четвертый герконы, соответственно. Второй усилитель подключен к третьей обмотке. Вторая фазоповоротная схема входами подключена к выходам второго усилителя, а выходами, через второй регулировочный резистор - к четвертой обмотке. Блок сравнения входами подключен к выводам первой и четвертой обмоток, а выходом к блоку сигнализации и инверсному входу элемента И с одним инверсным входом.
Использование дополнительных герконов с обмотками, усилителя, фазоповоротной схемы и резистора, а также блоков сравнения и сигнализации и элементов ИЛИ, И с одним инверсным входом, и их соответствующее подключение позволяют выполнить функциональную диагностику фильтра, выявляя неисправности в элементах.
На фигуре 1 представлена структурная схема фильтра токов обратной последовательности.
Фильтр тока обратной последовательности содержит герконы 1, 2, 3 и 4 с обмотками 5, 6, 7 и 8, соответственно. Усилитель 9 (У1) (10 (У2)) входами подключен к обмотке 6 (7) геркона 2 (3), а выходами - к входам фазоповоротной схемы 11 (Ф1) (12 (Ф2)), которая выходами, через регулировочный резистор 13 (14), подключена к обмотке 5 (8) геркона 1 (4). Элемент ИЛИ 15 (ИЛИ) подключен к контактам герконов 1 и 4. Элемент И 16 (И) с одним инверсным входом подключен прямым входом к элементу ИЛИ 15 (ИЛИ), а выходом к логической части 17 (ЛЧ). Схема сравнения 18 (СС) входами подключена к выводам обмоток 5 и 8, а выходом - к блоку сигнализации 19 (БС) и инверсному входу элемента И 16 (И). Исполнительный орган 20 (ИО) подключен к логической части 17.
В качестве герконов 1-4 с обмотками 5-8 управления могут быть использованы, например, герконовые реле типа РГК-54. В качестве усилителей 9 (У1) и 10 (У2) могут быть использованы усилители типа К14УД6. Фазоповоротные схемы 11 (Ф1) и 12 (Ф2) могут быть выполнены, например, на конденсаторах типа К 50-12 и резисторах МОН-0,5. В качестве резисторов 13 и 14 могут быть использованы резисторы типа МОН-0,5. Элементы ИЛИ 15 (ИЛИ), И 16 (И) с одним инверсным входом, логическая часть 17 (ЛЧ) и схема сравнения 18 (СС) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53. В качестве блока сигнализации 19 (БС) и исполнительного органа 20 (ИО) могут быть использованы лампа типа L16RR-E05 и промежуточное реле типа RT424005.
В
пр
Герконы располагаются (фиг. 1) в магнитном поле токопроводов 21, 22, 23 фаз А, В, С, соответственно. Для того, чтобы геркон 1 реагировал только на токи обратной последовательности, как известно из прототипа, вдоль его продольной оси должна действовать индукция , созданная токами в фазах 21, 22, 23:
0
где  - расстояние от оси фазы А до центра тяжести геркона 1;  - угол между продольной осью геркона 1 и индукцией магнитного поля, действующего на него; ,  и  - вектора токов в фазах 21, 22, 23; μ - магнитная постоянная.
1
1
1
2
1
1
2
у
Как показали расчеты, приведенные в [KZ 20853 МПК H02H 3/38, опубл. 16.02.2009], для выполнения равенства (1) геркон 1 должен быть установлен в плоскости N в точке с координатами: h=1,155d,  и  (в вертикальной плоскости), геркон 2 - в этой же плоскости в точке с координатами h=1,155d, ,  (где h - расстояние в вертикальной плоскости N от горизонтальной линии 24, проходящей через центры тяжести герконов 1 и 2, до плоскости F, расположения токопроводов 21, 22, 23, γ и γ - углы в плоскости N между линией 24 и продольной осью герконов 1 и 2, х и х - расстояние от центров тяжестей герконов 1 и 2 до вертикальной линии 26, проходящей через центр токопровода фазы А перпендикулярно линии 24, d - расстояние между проводниками соседних фаз) и соответствующим образом должны быть выбраны коэффициент К усиления усилителя 9 (У1), угол β фазоповоротной схемы 11 (Ф1) и резистор 13.
2
2
1
3
4
3
1
4
2
у
Аналогично обеспечивается воздействие магнитных полей, созданных токами обратной последовательности, на геркон 4, но в (1) отсутствует множитель , и первое слагаемое в скобках умножается на . Герконы 3 и 4 устанавливаются в плоскости N в точках с координатами h=h, х=0, х=2d, γ=γ, γ=γ, коэффициент усиления усилителя 10 (У2) равен К, угол фазоповоротной схемы 12 (Ф2) рассчитывается аналогично углу β.
нб
нб
Фильтр работает следующим образом. В нормальном режиме работы электроустановки токи обратной последовательности отсутствуют. Однако из-за неточности установки герконов 1 и 2 в заданные точки и допустимой несимметрии системы трехфазных токов вдоль продольной оси геркона 1 действует индукция В небаланса. Для несрабатывания геркона 1 в нормальном режиме, его индукция  срабатывания выбирается большей В, то есть
отс
отс
где k - коэффициент отстройки, k=1,2.
При коротком замыкании на землю по токопроводам электроустановки протекают токи нулевой последовательности. При этом геркон 1 (4) не срабатывает, так как токи нулевой последовательности в фазах электроустановки равны (), и из (1) индукция  равна нулю.
При междуфазных коротких замыканиях по токопроводам электроустановки протекают токи обратной последовательности. При этом  оказывается меньше индукции воздействующего на него магнитного поля, созданного токами обратной последовательности. В этом можно убедиться, если в (1) подставить систему токов обратной последовательности , , . Индукция в (1) при этом станет равной . Геркон 1 сработает, замыкая контакты, и подаст сигнал через элемент ИЛИ 15 (ИЛИ) и И 16 (И) в логическую часть 17 (ЛЧ).
При этих же замыканиях по токопроводам также протекают токи и прямой последовательности. Но при этом магнитное поле, созданное токами прямой последовательности, не будет действовать на геркон 1. В этом можно также убедиться, подставив в (1) систему токов прямой последовательности , , . Индукция в (1) при этом станет равной нулю. Поэтому геркон 1, выполняющий функции реагирующего элемента фильтра не срабатывает.
ср
ср
Токовая защита функционирует следующим образом. В режиме нагрузки и самозапуска электродвигателей геркон 2 не замыкает контакты, так как его индукция срабатывания В отстроена от максимальной индукции, созданной токами нагрузки и самозапуска, протекающими в токопроводах 21, 22, 23. Геркон 3, используемый для защиты от перегрузки, при самозапуске срабатывает, но логическая чась 17 (ЛЧ) сигнала не выдает, так как выдержка времени предлагаемой защиты, как и в традиционных, больше времени пуска и самозапуска. При трехфазных коротких замыканиях индукции магнитных полей, действующих на герконы 2 и 3, возрастают и становятся больше В. Поэтому герконы 2 и 3 срабатывают и подают сигналы в логическую часть 17 (ЛЧ) защиты. В результате выключатель электроустановки отключается.
Е
Е
Е
Е
Е
5
8
5
8
ср
Самодиагностика предлагаемого измерительного органа выполняется следующим образом. Во всех режимах его работы на входы схемы сравнения 18 (СС) поступают ЭДС, подаваемые на обмотки 5 и 8, с абсолютными значениями и . При этом из-за неточности установки герконов 1-4 и несимметрии токов ≠. Чтобы схема сравнения 18 (СС) не выдавала сигналов при отсутствии повреждений в цепях обмоток 5 и 8, параметр ее срабатывания  должен быть отстроен от наибольшей разности этих ЭДС
Е
ср
При возникновении каких-либо повреждений в цепях обмоток 5 и 8, разность  становится больше . Схема сравнения 18 (СС) срабатывает и выдает сигнал в блок сигнализации 19 (БС) и на инверсный вход элемента И 16 (И), блокируя работу фильтра.