Фильтр тока нулевой последовательности на герконах
ZERO SEQUENCE CURRENT FILTER ON REED SWITCHES

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к технике релейной защиты, и может быть использовано для защиты электроустановок от однофазных коротких замыканий без использования трансформаторов тока.
Известен фильтр тока нулевой последовательности [Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения - М.: Высш. Шк., 2008. - 639 с.: ил.], содержащий реле тока, подключенное к трансформаторам тока электроустановки, логическую часть, подключенную к реле тока, и исполнительный орган, подключенный к логической части.
Недостатком этого фильтра является невозможность работы без трансформаторов тока и в ряде случаев малая чувствительность к однофазным коротким замыканиям на землю.
1
2
1
2
Известен фильтр тока нулевой последовательности [KZ 20854 МПК H02H 3/38, опубл. 16.02.2009], принятый авторами за прототип, содержащий первый и второй герконы, логическую часть, подключенную к контактам первого геркона, 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 так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h,  и  (в вертикальной плоскости), а второго - с точкой с координатами h, , , где h - расстояние в вертикальной плоскости от первой горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов, до токопроводов, 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 отсутствие возможности выявления неисправностей в нем и связанные с этим отказы в срабатывании.
Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей фильтра токов нулевой последовательности на герконах и повышение надежности путем своевременного выявления неисправностей его элементов.
1
2
1
2
Предложенный фильтр тока нулевой последовательности, также, как и в прототипе, содержит первый и второй герконы, логическую часть, подключенную к контактам первого геркона, 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 так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h,  и  (в вертикальной плоскости), а второго - с точкой с координатами h, , , где h - расстояние в вертикальной плоскости от первой горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов, до токопроводов, 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.
l
3
4
3
4
3
1
4
2
3
1
4
2
Согласно изобретению, третий и четвертый герконы расположены в той же горизонтальной плоскости на ее пересечении с второй вертикальной плоскостью, 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 третьего и четвертого герконов подключены к логической части, 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, схема сравнения входами подключена к выводам первой и четвертой обмоток, а выходом к блоку сигнализации, элемент И с одним инверсным входом подключен прямым входом к логической части, инверсным входом к блоку сигнализации, а выходом к исполнительному органу.
Использование третьего и четвертого герконов, третьей и четвертой обмоток, вторых усилителя, фазоповоротной схемы и резистора, блоков сравнения и сигнализации, а также элемента 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 нулевой последовательности.
Фильтр тока нулевой последовательности содержит герконы 1, 2, 3 и 4 с обмотками 5, 6, 7 и 8, соответственно. Усилители 9 (У1) и 10 (У2) входами подключен к обмоткам 6 и 7, соответственно, а выходами - к входам фазоповоротных схем 11 (Ф1) и 12 (Ф2), которые выходами, соответственно, через регулировочные резисторы 13 и 14, подключены к обмоткам 5 и 8. Логическая часть 15 (ЛЧ) подключена к контактам герконов 1 и 4. Элемент И 16 (И) с одним инверсным входом подключен прямым входом к логической части 15 (ЛЧ). Схема сравнения 17 (СС) входами подключена к обмоткам 5 и 8, а выходами к блоку сигнализации 18 (БС), выход которого подключен к инверсному входу элемента И 16 (И) с одним инверсным входом. Исполнительный орган 19 (ИО) подключен к элементу И 16 (И) с одним инверсным входом.
В качестве герконов 1-4 могут быть использованы, например, герконы типа МКА-20101. Обмотки управления 5-8 выполнены с помощью обмотки реле тока типа РТМ. 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. Логическая часть 15 (ЛЧ) и схема сравнения 17 (СС) могут быть выполнены на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53. Элемент И 16 (И) с одним инверсным входом может быть реализован с помощью микросхем типа И-К155ЛИ1 и HEF4069UBP. В качестве блока сигнализации 18 (БС) и исполнительного органа 19 (ИО) могут быть использованы лампа типа L16RR-E05 и промежуточное реле типа RT424005.
1
3
2
4
1
3
2
4
1
3
2
4
1
3
2
4
l
l
Герконы 1 (3) и 2 (4) располагают в магнитном поле токопроводов 20, 21 и 22 фаз А, В и С, соответственно. Их положение определяется расстоянием h в вертикальной плоскости от горизонтальной линии 23 (24), проходящей через центры тяжести герконов 1 (3) и 2 (4), до токопроводов 20, 21 и 22; расстояниями х (х) и х (х) от центра тяжести герконов 1 (3) и 2 (4) до вертикальной линии 25 (26), проходящей через центр токопровода фазы А; углами γ (γ) и γ (γ) в вертикальной плоскости между линией 23 (24) и продольной осью герконов 1 (3) и 2 (4); расстоянием  между вертикальными плоскостями, в которых расположены герконы. Расстояние  выбирается таким, чтобы исключить взаимное влияние герконов с обмотками друг на друга. Для построения фильтра токов нулевой последовательности расстояния х (х), х (х) и углы γ (γ), γ (γ) выбираются так, чтобы на геркон 1 (3) действовало магнитное поле, созданное токами фаз А и В, а на геркон 2 (4) - созданное токами фаз В и С. Расчеты, приведенные в [KZ 20854 МПК H02H 3/38, опубл. 16.02.2009] показали:
1. Герконы 1 и 2 необходимо установить в точках с координатами , и , .
у
ФПС
13
2. Коэффициент К усиления усилителя 9 (У1), угол α сдвига фаз фазоповоротной схемы 11 (Ф1) и сопротивление r резистора 13 могут быть определены из выражений:
внеш6
6
обм5
пров
13
5
ср5
5
обм5
f
l
где  - индукция магнитного поля, созданного током в обмотке 5, полученным на выходе усилителя 9 (У1) при наличии фазоповоротной схемы 11 (Ф1) и регулировочного резистора 13;  - электродвижущая сила, наведенная на выводах обмотки 6 с внешним диаметром D и количеством витков W;  - частота промышленного тока;  - сопротивление выходной цепи усилителя 9 (У1), состоит из сопротивлений Z обмотки 5, Z соединительных проводов и r; , D, W и r - длина каркаса, диаметр, количество витков и активное сопротивление обмотки 5.
3
1
4
2
3
1
4
2
у
Аналогично обеспечивается воздействие магнитных полей, созданных токами нулевой последовательности, и на геркон 4. При этом получается х=х, х=х, γ=γ, γ=γ, коэффициент усиления усилителя 10 (У2) равен К, рассчитанному по (1). Угол фазоповоротной схемы 12 (Ф2) рассчитывается по (2), но с учетом того, что ЭДС в обмотке 7 создается токами  и  в токопроводах фаз А и В. Сопротивление резистора 14 - по (3).
нб
нб
Фильтр тока нулевой последовательности работает следующим образом. В нормальном режиме работы электроустановки токи нулевой последовательности отсутствуют, и на геркон 1 (4) действует магнитное поле с индукцией В небаланса, которое обусловлено неточностью установки герконов 1 (3) и 2 (4) в рассчитанные координаты и допустимой несимметрией системы токов А, В и С, протекающих по токопроводам. Чтобы геркон 1 (4) не срабатывал в нормальном режиме его индукция  срабатывания должна быть больше 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 индукции срабатывания герконов 1 и 4 оказываются меньше индукции воздействующего на них магнитного поля, созданного токами нулевой последовательности, и герконы срабатывают, замыкая контакты и подавая сигнал через логическую часть 15 (ЛЧ) и элемент И 16 (И) с одним инверсным входом на исполнительный орган 19 (ИО).
Е
Е
Е
Е
Е
Е
Е
5
8
5
8
ср
5
8
Функциональная диагностика предлагаемого измерительного органа осуществляется следующим образом. Во всех режимах работы фильтра на входы схемы сравнения 17 (СС) поступают ЭДС, подаваемые на обмотки 5 и 8, с абсолютными значениями и , причем ≠ из-за указанных выше причин. Для обеспечения несрабатывания схемы сравнения 17 (СС) при отсутствии повреждений в цепях обмоток 5 и 8, параметр ее срабатывания  должен быть отстроен от наибольшей разности  и
Е
ср
При возникновении повреждения в соединительных проводах или в элементах, подключенных к обмоткам 5 и 8, разность  становится больше . Схема сравнения 17 (СС) срабатывает и выдает сигнал в блок сигнализации 18 (БС), который выдает сигнал на инверсный вход элемента И 16 (И) с одним инверсным входом, блокируя срабатывание защиты. Таким образом, заявляемый фильтр тока нулевой последовательности, в сравнении с известным, позволяет добиться экономического эффекта за счет уменьшения ущерба от несрабатывания защиты, реализуемой на нем, путем выявления неисправностей в цепях обмоток управления.