СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ
METHOD FOR MEASURING FAULT CURRENT

Изобретение относится к энергетике, а именно к измерительной технике, и может быть использовано для измерения токов короткого замыкания в электроустановках.
Известен способ измерения тока короткого замыкания [Хомерике O.K. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - С. 7-19] путем фиксации напряжения на выходе датчика Холла, установленного вблизи проводника. По напряжению определяют величину магнитной индукции, создавшей его, а по последней - величину тока в проводнике.
Однако величина контролируемого напряжения незначительна и зависит от температуры окружающей среды, что требует дополнительного усиления сигнала и компенсации температурных погрешностей. В конечном итоге это ведет к снижению точности измерения тока.
1
1, 2
3
СР1
СР2
В1
В2
СP2
CP1
B2
B1
CP1
СР2
B1
В2
Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения тока короткого замыкания [KZ 21350 A4, МПК G01R 19/30 (2006.01), опубл. 15.06.2009], при котором фиксируют время t между моментами замыкания и размыкания контактов первого геркона, время t между замыканием контактов первого и второго герконов и время t между моментами замыкания и размыкания контактов второго геркона. Первый и второй герконы располагают в магнитном поле проводника так, чтобы они замыкали контакты при соответствующих токах срабатывания I и I в проводнике и размыкали контакты при токах возврата I и I. Второй геркон настраивают так, чтобы он срабатывал при токах срабатывания I>I и возвращался при токах возврата I>I. Составляют уравнения для I, I, I и I по формуле:
m
где I - амплитуда периодической составляющей измеряемого тока;
t - время в любой момент времени;
Η
φ - электрический угол, отсчитываемый с момента наступления короткого замыкания до момента перехода через ноль периодической составляющей измеряемого тока короткого замыкания;
ma
i - начальное значение апериодической составляющей измеряемого тока;
ω - угловая частота тока;
а
Т - постоянная времени,
1
1, 2
3
m
ma
пол
используя t, t, t. Находят амплитуду периодической составляющей измеряемого тока I и начальное значение апериодической составляющей измеряемого тока i из системы четырех составленных уравнений. По указанной формуле определяют полный ток короткого замыкания I в любой момент времени.
Недостатком этого способа является низкое быстродействие релейной защиты, так для определения тока короткого замыкания нужно время 10 мс.
Задачей изобретения является повышение быстродействия релейной защиты.
1, 2
CP1
СР2
СP2
CP1
CP1
СР2
1, 2
Это достигается тем, что способ измерения тока короткого замыкания, так же как и в прототипе, заключается в том, что фиксируют время t между замыканием контактов первого и второго герконов, которые расположены в магнитном поле проводника так, чтобы они замыкали контакты при соответствующих токах срабатывания I, I в проводнике, второй геркон настраивают так, чтобы он срабатывал при токах срабатывания I>I,составляют уравнения для I, I, используя t, и определяют амплитуду полного тока короткого замыкания по формуле:
m
где I - амплитуда периодической составляющей измеряемого тока;
t - время в любой момент времени;
Η
φ - электрический угол, отсчитываемый с момента наступления короткого замыкания до момента перехода через ноль периодической составляющей измеряемого тока короткого замыкания;
ma
i - начальное значение апериодической составляющей измеряемого тока;
ω - угловая частота тока;
а
Т - постоянная времени.
1
2
3
4
СP4
CP3
CP2
m
ma
Согласно изобретению четыре геркона устанавливают на безопасных расстояниях h, h, h, h от проводника. Угол между перпендикулярной линией продольной оси проводника и продольной осью первого геркона, второго, третьего и четвертого герконов составляет 90°. Настраивают герконы так, чтобы они срабатывали при токах срабатывания I>I>I. Дополнительно измеряют время между замыканием второго и третьего геркона, третьего и четвертого геркона и определяют амплитуду периодической составляющей измеряемого тока I и начальное значение апериодической составляющей измеряемого тока i из выражения:
1, 2
где t - время между замыканием контактов первого и второго герконов;
2, 3
t - время между замыканием контактов второго и третьего герконов;
3, 4
t - время между замыканием контактов третьего и четвертого герконов;
H
t - время до замыкания контактов первого геркона;
CP1
I - ток срабатывания первого геркона;
СР2
I - ток срабатывания второго геркона;
СР3
I - ток срабатывания третьего геркона;
СР4
I - ток срабатывания четвертого геркона,
пол
используя которые определяют амплитуду полного тока короткого замыкания I.
Измерение времени между срабатыванием второго и третьего, третьего и четвертого герконов позволяет определить амплитуду тока короткого замыкания за 5 мс, так как срабатывания всех герконов происходит в первую половину полупериода переменного тока. Таким образом, по сравнению с прототипом, повышено быстродействие релейной защиты.
На фиг. 1 показано устройство для реализации предлагаемого способа.
пол
ном
апер
пер
На фиг. 2 представлены зависимости I=f(t), где кривая 1 - полный ток короткого замыкания I, кривая 2 - номинальный ток I, кривая 3 - ток апериодической составляющей I, кривая 4 - ток периодической составляющей I.
Предложенный способ измерения тока короткого замыкания может быть реализован с помощью устройства, в котором первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 герконы (фиг. 1) с нормально разомкнутыми контактами размещены в магнитном поле проводника 5 с током и подключены к микроконтроллеру 6 (МК).
Могут быть использованы герконы типа МКА-14103 группы А производителя ОАО "Рязанского завода металлокерамических приборов". Микроконтроллер 6 (МК) может быть выполнен на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53.
Способ осуществляют следующим образом.
1
2
3
4
CP1
СР2
CP3
CP4
Первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 герконы с нормально разомкнутыми контактами устанавливают вблизи проводника 5 на безопасном расстоянии. Расстояние от проводника 5 до первого 1 геркона h=0,1 м, расстояние от проводника 5 до второго 2 геркона h=0,13 м, расстояние от проводника 5 до третьего 3 геркона h=0,16 м, расстояние от проводника 5 до четвертого 4 геркона h=0,19 м. Угол между перпендикулярной линией продольной оси проводника 5 и продольной осью первого геркона 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 герконов составляет 90°. Герконы подобраны так, чтобы токи срабатывания I, I, I, I первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 герконов соответствовали неравенствам:
СР1
СР2
CP3
СР4
I<I<I<I.
СР1
СР1
CP2
СР3
СР4
В проводнике 5 протекает ток короткого замыкания. При увеличении тока до тока срабатывания I=33,9 А первого 1 геркона (фиг. 2, кривая 1) замыкаются разомкнутые до этого контакты. Это происходит под действием созданного током I срабатывания магнитного поля напряженностью срабатывания  в зазоре между контактами первого 1 геркона, направленной вдоль его продольной оси. Второй 2 геркон замыкает контакты при токе срабатывания I=60,4 А. Третий 3 геркон замыкает контакты при токе срабатывания I=98,8 А. Четвертый 4 геркон замыкает контакты при токе срабатывания I=176,0 А.
СР1
1, 2
CP2
При увеличении тока в проводнике 5 до величины тока срабатывания I (фиг. 2, кривая 2) первый геркон 1 срабатывает, его контакты замыкаются, микроконтроллер 6 (МК) фиксирует значение тока и начинает отчет времени t между замыканием контактов первого и второго герконов. Если ток не увеличился до I, тo второй геркон 2 не срабатывает и микроконтроллер 6 (МК) обнуляет все значения.
СР2
1, 2
2, 3
CP3
Но если в проводнике 5 ток увеличивается до тока срабатывания I, то срабатывает второй геркон 2 (фиг. 2, кривая 1). Микроконтроллер 6 (МК) фиксирует срабатывание второго 2 геркона, время между замыканием первого и второго герконов t=1 мс и начинает отчет времени t между замыканием второго и третьего герконов. Когда ток в проводнике 5 увеличивается до тока срабатывания I, то срабатывает третий геркон 3 (фиг. 2, кривая 1). Микроконтроллер 6 (МК) фиксирует срабатывание третьего 3 геркона, промежуток времени между замыканием второго и третьего герконов
2, 3
3, 4
СР4
3,4
t=0,8 мс и начинает отчет времени t между замыканием третьего и четвертого герконов. Далее ток в проводнике 5 увеличивается до тока срабатывания I, срабатывает четвертый геркон 4 (фиг. 2, кривая 1), и фиксируется время между замыканием третьего и четвертого герконов t=1,2 мс.
m
H
Η
В микроконтроллере 6 (МК) вычисляют значения I, t, φ по формулам разложения тока короткого замыкания на апериодическую (фиг. 2, кривая 3) и периодическую составляющие (фиг. 2, кривая 4) [Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы. - Москва, 1970 г. - С. 58-65.]:
m
где I - амплитуда периодической составляющей измеряемого тока;
H
t - время до замыкания контактов первого геркона;
Η
φ - электрический угол, отсчитываемый с момента наступления короткого замыкания до момента перехода через ноль периодической составляющей измеряемого тока;
ma
i - начальное значение апериодической составляющей измеряемого тока,
а
Т - постоянная времени.
пол
Затем определяют полный ток короткого замыкания I для любого момента времени по формуле:
Расчет ведется следующим образом, в выражении (2) второе уравнение делят на первое;  раскладывают на
- представлено в виде , при этом сокращается и уравнение принимает вид:
m
Раскрывают скобки, аргументы, содержащие амплитуду периодической составляющей измеряемого тока I, переносят в правую часть уравнения, а  - в левую. В правой части уравнения (4) аргумент  выносят за скобку:
Для третьего и четвертого уравнений системы (2) выполняют аналогичные (4)-(5) операции. В результате получают:
m
Η
Η
k
Η
Далее делят уравнение (6) на (5), I·sin(ωt-φ) сокращают, определяют ctg(ωt-ω):
и находят:
m
Затем определяют амплитуду периодической составляющей измеряемого тока I:
М
Находят значение мгновенной величины периодической составляющей тока I в точке Μ (фиг. 2):
N
и мгновенное значение величины апериодической составляющей тока i в точке N:
ma
m
Η
H
1
1
M
m
Чтобы найти начальное значение i апериодической составляющей измеряемого тока в уравнении (10) в момент перехода через ноль периодической составляющей измеряемого тока I, принимают φ=0, тогда ωt=φ и φ=arcsin(I/I), которые подставляют в формулу (11) и определяют:
Η
Принимая данное значение амплитудой апериодического составляющий при переходе полного тока короткого замыкания через ноль при φ=0, строят кривую апериодической составляющей измеряемого тока (фиг. 2, кривая 3).
пол
По полученным данным строят кривую полного тока короткого замыкания I (фиг. 2, кривая 1) в любой момент времени по формуле:
Мпол
Мпол
Амплитуда полного тока короткого замыкания полученная с использованием предложенного способа I=435 А при заданном значении I′=412 А. Таким образом, погрешность определения составила