Устройство восстановления приведённых первичных токов трансформаторов тока, соединённых в схему "звезда"

Полезная модель относится к электроэнергетике и может использоваться в системах релейной защиты, в которых в качестве датчиков тока применяются трансформаторы тока (ТТ) с замкнутыми сердечниками. Как известно, такие ТТ в переходных режимах, содержащих апериодические свободные составляющие, могут насыщаться, что в свою очередь приводит к резкому возрастанию погрешности вторичного тока. Величина этой погрешности может превышать даже 100 %.
В идеале вторичный ток ТТ должен быть равен первичному току, разделённому на величину коэффициента трансформации этого трансформатора.
Наиболее сложные условия для работы ТТ возникают в переходном режиме, когда по первичной обмотке протекает ток короткого замыкания. Экспоненциальная составляющая в токе короткого замыкания (КЗ) приводит к однополярному увеличению индукции в магнитопроводе, в результате чего возникает насыщение ТТ, что ведет к значительным погрешностям во вторичном токе.
Известно устройство (Кужеков С.Л., Зинченко В.Ф., Чмыхалов Г.Н. Компенсация погрешностей трансформаторов тока в схемах релейной защиты и автоматики // Известия вузов. Электромеханика. – 1976. – № 7. – С. 719-724). Оно содержит шунт, электроды, которого являются входом устройства, и нелинейный дроссель, который применяется в описываемом устройстве в качестве блока определения тока намагничивания. Для суммирования тока намагничивания со вторичным током ТТ выход дросселя припаян ко вторичной обмотке ТТ.
Основной недостаток этого устройства в том, что не удаётся добиться полного совпадения характеристики нелинейного дросселя и ТТ. Это является причиной большой погрешности.
Наиболее близким техническим решением является устройство для компенсации погрешности измерительного ТТ (SU1398014A1, опубликовано 23.05.1988). Это устройство содержит промежуточный ТТ, блок выявления момента насыщения, несколько электронных ключей, а также присутствует блок нелинейности, который моделирует кривую намагничивания ТТ, и сумматоры, на выходе одного из которых формируется восстановленный ток.
Основной недостаток этого устройства в том, что при определении тока намагничивания по кривым намагничивания возникает погрешность определения этого тока, связанная в основном с тем, что используется некоторая аппроксимация кривой намагничивания, которая может существенно отличаться от реальной кривой, а также методическая погрешность замены петли гистерезиса гладкой кривой намагничивания либо отрезками прямых линий.
Общим недостатком всех описанных выше устройств является то, что все они предназначены для работы с одиночным ТТ, в то время как в эксплуатации ТТ соединены в трехфазные схемы. Кроме того, необходимость моделировать кривую намагничивания существенно увеличивает погрешность таких устройств, так как кривая намагничивания различна у каждого ТТ, даже из одной партии (Королёв Е.П., Либерзон Э.М. Расчёты допустимых нагрузок в токовых цепях релейной защиты. М.-Энергия, 1980).
Технический результат заявляемого устройства заключается в снижении погрешности восстановления приведённого первичного тока ТТ, соединённых в схему «звезда».
Технический результат заявляемого устройства достигается тем, что ток намагничивания ТТ непосредственно измеряется, а не моделируется.
a
b
c
n
Заявляемое устройство предназначено для работы с ТТ, вторичные обмотки которых соединены в схему «звезда». При таком соединении от схемы отходят четыре провода, причём по трём протекают вторичные фазные токи ТТ (i, i и i), а по четвёртому ток в нулевом проводе (i).
На фиг. 1 приведена схема устройства для восстановления фазного приведённого первичного тока при соединении вторичных обмоток ТТ в схему «звезда». Устройство содержит:
1 – измерительные шунты,
2 – пусковые органы,
3 – блоки постоянного запаздывания,
4 – программируемая логическая матрица,
5 – блоки определения токов намагничивания,
6 – сумматоры,
7 – сопротивления,
8 – сопротивление,
9 – сумматор.
На фиг. 2 приведена схема блока определения токов намагничивания. Блок содержит:
1  – аналоговый вход,
2  – дискретный вход,
3  – дискретный вход,
4  – дискретный вход,
5  – первый управляемый аналоговый ключ,
6  – входное сопротивление,
7  – операционный усилитель,
8  – сопротивление,
9  – второй управляемый аналоговый ключ,
10  – входное сопротивление,
11  – схема «И»,
12  – схема «И»,
13  – схема «И»,
14  – схема «НЕ»,
15  – схема «НЕ».
a
b
c
n
Устройство имеет четыре входа, на которые поданы вторичные фазные токи ТТ (i, i и i) и ток, протекающий в нулевом проводе (i). Каждый из этих токов подан на соответствующий вход устройства. Устройство содержит четыре измерительных шунта 1, первый электрод которых является входом устройства, а вторые электроды соединены в одну точку. Первые электроды каждого измерительного шунта 1 поданы на вход четырех пусковых органов 2. Выход каждого пускового органа 2 подан на вход блока постоянного запаздывания 3, которых также четыре. Каждый из выходов элементов 2 и 3  включены на входы программируемой логической матрицы 4. Таким образом, у программируемой логической матрицы 4 восемь входов. Выходов у программируемой логической матрицы 4 три. Они обозначены на рисунке как А, В и С. Для восстановления приведённого первичного тока каждой фазы устройство содержит три блока определения токов намагничивания 5 по одному в каждой фазе. Каждый из этих блоков имеет четыре входа. Первый вход 102 аналоговый. Он соединён с первым электродом измерительного шунта 1, установленным в нулевом проводе. На второй 103, третий 104, и четвёртый 105 дискретные входы поданы три сигнала с выходов А, В и С  программируемой логической матрицы 4 в указанной последовательности для блока определения токов намагничивания 5, установленного в фазе А. В зависимости от сочетания сигналов А, В, С происходит процесс формирования намагничивающего тока данной фазы. Для блока определения токов намагничивания 5, установленного в фазе В, на второй 103, третий 104 и четвёртый 105 дискретные входы поданы три сигнала с выходов В, С и А программируемой логической матрицы 4. Для блока определения токов намагничивания 5, установленного в фазе С, на второй 103, третий 104 и четвёртый входы 105 дискретные входы поданы три сигнала с выходов С, А и В программируемой логической матрицы 4. Выход блока определения токов намагничивания 5 подан на второй вход сумматора 6, на первый вход которого подано напряжение с первого электрода измерительного шунта 1, установленного в фазе С. Выходы трёх сумматоров 6 есть выходы устройства, на каждом из которых сигнал пропорционален приведённому первичному току ТТ данной фазы. Аналогично формируются сигналы и в двух других фазах. Кроме того, выходы всех трёх сумматоров 6 через сопротивления 7 включены на вход сумматора 9. В обратную связь сумматора 9 включено сопротивление 8. На выходе сумматора 9 сформирован сигнал, пропорциональный току в нулевом проводе.
Блок определения токов намагничивания 5 содержит один аналоговый вход 102, на который подключен электрод измерительного шунта 1, включённый в нулевой провод вторичных обмоток ТТ, три дискретных входа 103, 104 и 105, на которые включены выходы программируемой логической матрицы 4. Сигнал с аналогового входа 102 подан на вход первого управляемого аналогового ключа 106 и через входное сопротивление 107 подан на вход операционного усилителя 108, в обратную связь которого включено сопротивление 109. На аналоговый вход 102 включён также вход второго управляемого аналогового ключа 110, выход которого через входное сопротивление 111 подключён на вход операционного усилителя 108. Выход операционного усилителя 108 и есть выход блока определения токов намагничивания 5.
Сигнал с дискретного входа 103 подан на один из входов каждой из трёх схем «И» 112, 113 и 114. Сигнал с дискретного входа 104 подан на один из входов каждой из двух схем «И» 113 и 114. Сигнал с дискретного входа 105 подан на третий вход схемы «И» 114.
Выход схемы «И» 113 подан на вход схемы «НЕ» 115, выход которой включён на второй вход схемы «И» 112. Выход схемы «И» 114 подан на вход схемы «НЕ» 116, выход которой включён на третий вход схемы «И» 112 и третий вход схемы «И» 113.
Рассмотрим работу устройства на примере насыщения ТТ в фазе А.
Работа заявляемого устройства происходит следующим образом.
При протекании в проводах тока, величина которого больше уставки пусковых органов 2, они срабатывают и на их выходах появляются сигналы. На выходах блоков постоянного запаздывания 3 сигналы соответствуют состоянию, в котором пусковые органы 2 находились на предыдущем такте. Эти восемь сигналов (четыре сигнала с выходов четырёх пусковых органов 2 и четыре сигнала с выходов четырёх блоков постоянного запаздывания 3) формируют код на входе программируемой логической матрицы 4. В зависимости от этого кода формируется сигнал на выходе программируемой логической матрицы 4. Так как у программируемой логической матрицы 4 входов восемь, то различных сочетаний сигналов на входе может быть 256. Каждому из этих сочетаний ставится в однозначное соответствие сигнал на выходе программируемой логической матрицы 4. В случае если насыщение ТТ отсутствует, сигнал на выходе блоков определения токов намагничивания 5 отсутствует (равен нулю) и, следовательно, сигнал на выходе сумматора 6 пропорционален напряжению на измерительном шунте 1, установленном в фазе А. При насыщении любого одного ТТ появляется сигнал на одном выходе блока определения токов намагничивания 5, который указывает в какой фазе произошло насыщение (например, при насыщении ТТ в фазе А появится сигнал на выходе А). Этот сигнал появится на дискретном входе 103 блока определения токов намагничивания 5, установленного в фазе А, на дискретном входе 105 блока определения токов намагничивания 5, установленного в фазе В, и на дискретном входе 104 блока определения токов намагничивания 5, установленного в фазе С. При таком сочетании сигналов на входах всех блоков определения токов намагничивания 5 сработает первый управляемый аналоговый ключ 106, установленный в блоке определения токов намагничивания 5, который установлен на фазе А. При этом напряжение с измерительного шунта 1, установленного в нулевом проводе, подключается на входное сопротивление 107, выход которого включён на вход операционного усилителя 108. Выход операционного усилителя 108 включён на второй вход сумматора 6, установленного в фазе А. На выходе сумматора 6 сигнал пропорционален приведённому первичному току ТТ фазы А. Аналогично работает устройство и при насыщении ТТ в фазах В или С.
При насыщении двух ТТ сигналы появляются на двух выходах программируемой логической матрицы 4, причём они соответствуют фазам, в которых произошло насыщение. В этом случае в двух блоках определения токов намагничивания 5 срабатывают вторые 113 схемы «И», которые через второй управляемый аналоговый ключ 110 подключают первый электрод измерительного шунта 1, установленного в нулевом проводе, на входное сопротивление 111, выход которого подключен на вход операционного усилителя 108. При этом первый управляемый аналоговый ключ 106 отключается. Например, при насыщении ТТ в фазах А и В появятся сигналы на выходах блоков определения токов намагничивания 5, установленных в фазах А и В. Эти сигналы попадут на входы сумматоров 6 в этих же фазах, а на их выходах ток за счёт суммирования с током намагничивания будет пропорционален приведённому первичному току. Входные сопротивления 111 во всех фазах различные.
При насыщении всех трёх ТТ блоки определения токов намагничивания 5 выводятся из работы и сигналы на выходах сумматоров 6 пропорциональны вторичным токам ТТ.
Предлагаемое устройство существенно снижает погрешность восстановления приведённого первичного тока ТТ за счёт отказа от применения в устройстве кривой намагничивания, которая не учитывает гистерезис, потери в стали и ещё ряд моментов, а также обеспечивает устойчивость решения задачи восстановления приведённого первичного тока за счёт отказа от применения в устройстве интеграторов, наличие которых за счёт смещения и дрейфа нуля усилителей приводит к потере устойчивости решения.