СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ УСТАНОВИВШЕГОСЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПРОВОДНИКЕ С ПОМОЩЬЮ ЗАМЫКАЮЩЕГО ГЕРКОНА
METHOD OF INSTALLED AC VOLTAGE IDENTIFICATION IN CONDUCTOR BY CLOSED HERMETIC CONTACT

Изобретение относится к энергетике, а именно к электроэнергетическим системам, и может быть использовано для построения микропроцессорных устройств защиты от коротких замыканий.
t
Im
Ii
1
i
i+1
i
Известен способ измерения тока с помощью геркона, расположенного вблизи проводника [RU 2377579 С2, G01R 19/30, опубл. 27.12.2009], при котором измеряют время  между моментами замыкания и размыкания контактов геркона и определяют амплитуду  расчетным путем, располагают n-1 герконов вблизи проводника так, чтобы i-й геркон замыкал контакты при токе  в проводнике и выполнялось условие I<I, где I=1, 2, …n, подсчитывают число k сработавших герконов и приблизительно определяют кратность К' тока в проводнике к току I срабатывания первого геркона, подставляя токи срабатывания первого, k-го и k+1-го герконов в формулу:
k
k+1
СР
tIcp
Im
где I, (I) - ток срабатывания k-го и (k+1-го) герконов, находят  при К=К' по зависимости t=f(K) собственного времени срабатывания (замыкания контактов) первого геркона от кратности тока в проводнике к току срабатывания первого геркона и вычисляют точное значение амплитуды  по формуле:
1
РАЗМ
где I, (I) - ток в проводнике, при котором контакты первого геркона замыкаются (размыкаются), ω - угловая частота тока.
Однако для функционирования этого способа необходимы n-1 герконов, что снижает надежность устройства, его реализующего.
I
I
I
I
I
I
In
In
n
i
n
N
n
N
2
1
3
2
4
3
-1
Наиболее близким к предлагаемому является способ идентификации установившегося переменного тока в проводнике с помощью замыкающего геркона [Жантлесова А.Б., Клецель М.Я., Майшев П.Н., Нефтисов А.В. Идентификация установившегося тока короткого замыкания с помощью герконов. Электротехника. №4. 2014. - С. 28-34], выбранный в качестве прототипа, при котором в лабораторных условиях в катушку индуктивности (КИ) размещают первый замыкающий геркон так, чтобы их продольные оси совпадали, затем в КИ подают переменный ток, постепенно увеличивая его до тока  где  - наименьший ток в КИ, при котором происходит срабатывание геркона (замыкание контактов),  - амплитуда тока, измеряют величину  время  замкнутого состояния контактов геркона от момента срабатывания (замыкания) до момента возврата (размыкания) контактов при первом измерении и ток  возврата, при котором геркон возвращается в исходное положение, далее увеличивают ток до >, измеряют  ( - величина амплитуды тока при втором измерении) и время  от момента срабатывания до возврата при этом измерении, затем увеличивают ток до >, измеряют  ( - величина амплитуды тока при третьем измерении) и время  от момента срабатывания до возврата, затем увеличивают ток до > и так далее, повторяя предыдущие операции до >, где -1 - количество необходимых измерений времени и тока  и  (=1, 2…),  - кратность тока в КИ по отношению к минимальному току срабатывания геркона =30÷40, =50÷100, далее строят зависимость амплитуды тока в проводнике от времени замкнутого состояния  от момента срабатывания первого геркона до его возврата
КПР
и вводят полученную зависимость в микропроцессор (в (1), где  - амплитуда тока в проводнике,  - коэффициент пересчета тока в КИ на ток в проводнике), далее устанавливают геркон в расчетной точке вблизи проводника и при его срабатывании с помощью микропроцессора измеряют время  замкнутого состояния геркон и по зависимости (1) определяют величину амплитуды
Недостатком этого способа является ограниченная область использования, так как он позволяет определять только величину установившегося переменного тока в проводнике.
Задачей изобретения является расширение области использования за счет определения фазы установившегося переменного тока в проводнике путем фиксации астрономического времени моментов срабатываний и возвратов герконов, определения моментов перехода через ноль синусоиды тока и напряжения, используемого в качестве точки отсчета.
I
I
I
I
I
I
In
In
n
i
n
N
n
N
2
1
3
2
4
3
-1
Это достигается тем, что в способе идентификации установившегося переменного тока в проводнике с помощью замыкающего геркона, заключающемся в том, что в лабораторных условиях в катушку индуктивности (КИ) размещают первый замыкающий геркон так, чтобы их продольные оси совпадали, затем в КИ подают переменный ток, постепенно увеличивая его до тока  где  - наименьший ток в КИ, при котором происходит срабатывание геркона (замыкание контактов),  - амплитуда тока, измеряют его величину  время  замкнутого состояния контактов геркона от момента срабатывания (замыкания) до момента возврата (размыкания) контактов при первом измерении и ток  возврата, при котором геркон возвращается в исходное положение, далее увеличивают ток до >, измеряют  ( - величина амплитуды тока при втором измерении) и время  от момента срабатывания до возврата при этом измерении, затем увеличивают ток до >, измеряют  ( - величина амплитуды тока при третьем измерении) и время  от момента срабатывания до возврата, затем увеличивают ток до > и так далее, повторяя предыдущие операции до >, где -1 - количество необходимых измерений времени и тока  и  (=1, 2…),  - кратность тока в КИ по отношению к минимальному току срабатывания геркона =30÷40, =50÷100, далее строят зависимость амплитуды тока в проводнике от времени замкнутого состояния  от момента срабатывания первого геркона до его возврата
КПР
h
К
и вводят полученную зависимость в микропроцессор (в (1), где  - амплитуда тока в проводнике,  - коэффициент пересчета тока в КИ на ток в проводнике,  - расстояние от проводника до контактов геркона, ω - количество витков в первой КИ,  - длина первой КИ), далее устанавливают геркон в расчетной точке вблизи проводника и при его срабатывании с помощью микропроцессора измеряют время  замкнутого состояния геркона и по зависимости (1) определяют величину амплитуды
i
i-
Согласно изобретению при каждом -м измерении  и  в катушке индуктивности измеряют еще и й ток срабатывания  геркона, по окончании всех измерений строят зависимость
U
U
U
U
U
U
U
k
i
k
k
(
K
2)
(
K
2)
(
K
2)
(
K
2)
(
K
2)
(
K
2)
(
K
2)
вводят зависимость (2) и  в микропроцессор, затем в лабораторных условиях во второй КИ размещают второй замыкающий геркон так, чтобы их продольные оси совпадали, затем в КИ подают переменное напряжение , определяют угол ψ между подаваемым напряжением  и током  протекающим во второй КИ, далее, постепенно увеличивая  до увеличения тока в КИ до  где  - наименьший ток, протекающий в КИ, при котором происходит срабатывание второго геркона (замыкание контактов),  - амплитуда тока, измеряют величину  время  замкнутого состояния контактов второго геркона от момента срабатывания до момента возврата (размыкания контактов) и ток  возврата, при котором геркон возвращается в исходное положение, далее увеличивают  до увеличения тока в КИ до  измеряют  где  - величина амплитуды тока, время  от момента срабатывания до возврата, и ток срабатывания  затем увеличивают  до увеличения тока в КИ до  измеряют  где  - величина амплитуды тока, время  от момента срабатывания до возврата, и ток срабатывания  затем увеличивают  до увеличения тока в КИ до  и так далее, повторяя предыдущие операции до  где  - ток в КИ при поданном напряжении =120 В, -1 - количество необходимых измерений времени и токов  и  (=1, 2…), =10÷15, далее строят зависимости величин амплитуды тока  и тока срабатывания  в КИ от времени замкнутого состояния  от момента срабатывания геркона до момента его возврата
и вводят полученные зависимости,  и ψ в микропроцессор, далее устанавливают первый геркон вблизи проводника, а вторую КИ со вторым герконом подключают к выводам вторичной обмотки трансформатора напряжения, оба геркона могут срабатывать параллельно, поэтому микропроцессор одновременно может выполнять следующие операции, при замыкании контактов первого геркона, установленного вблизи проводника, фиксируют астрономическое время  и , при котором произошло замыкание и размыкание его контактов, соответственно, затем с помощью микропроцессора из зависимости (2) по  находят ток в проводнике  при котором геркон замкнул контакты, находят время  и  из формул  и  где  и  - промежутки времени от перехода синусоиды через ноль до срабатывания и от момента возврата до следующего перехода через ноль, соответственно, затем определяют астрономическое время перехода синусоиды тока через ноль по формуле
при срабатывании второго геркона с помощью микропроцессора фиксируют астрономическое время  измеряют время  замкнутого состояния геркона, при размыкании контактов второго геркона в КИ с помощью микропроцессора фиксируют астрономическое время  и по зависимостям (3) определяют величины амплитуды тока  и тока срабатывания  затем находят время  и  из формул  и  где  и  - промежутки времени от перехода синусоиды через ноль до срабатывания и от момента возврата до следующего перехода через ноль, соответственно, и определяют астрономическое время перехода синусоиды тока во второй КИ через ноль по формуле
далее определяют переход синусоиды напряжения через ноль по формуле
запоминают это время до определения момента следующего перехода напряжения через ноль, затем определяют с помощью микропроцессора фазу установившегося переменного тока в проводнике относительно напряжения по формуле
Предлагаемый способ идентификации переменного тока в проводнике с помощью замыкающего геркона, в отличие от прототипа, позволяет за счет фиксации астрономического времени моментов срабатываний и возвратов герконов и определения моментов перехода синусоид тока и напряжения через ноль расширить область использования путем определения фазы установившегося переменного тока.
На фиг. 1 представлено устройство, реализующее заявляемый способ.
На фиг. 2 представлены полуволны синусоид идентифицируемого установившегося переменного тока и напряжения, используемого в качестве опорного сигнала, на которых отмечены моменты срабатываний и возвратов герконов, когда замыкаются и размыкаются нормально разомкнутые контакты герконов, показана временная шкала, на которой отмечены все измеряемые промежутки времени, фиксируемые и определяемые моменты, необходимые для идентификации установившегося переменного тока.
Способ идентификации установившегося переменного тока в проводнике с помощью замыкающего геркона и микропроцессора может быть реализован посредством устройства (фиг. 1), в котором вблизи проводника 1 с переменным током расположен первый геркон 2 на безопасном расстоянии от него. К трансформатору напряжения 3 подключена обмотка 4 управления (катушка индуктивности) с расположенным внутри нее вторым герконом 5. Герконы 2 и 4 подключены через антидребезговые схемы 6 и 7 к микропроцессору 8, соответственно, к которому подключен дисплей 9.
В качестве герконов 2 и 5 могут быть использованы герконы МКА-10110. Обмотка 4 управления может быть взята с реле РП-25. Антидребезговые схемы 6 и 7 собраны из схем логики К155ЛА3. В качестве микропроцессора 8 может быть использован микроконтроллер на базе ATmega328. В качестве дисплея 9 (Д) использован LCD дисплей WH1602D-YGH-CTK.
I
I
I
I
I
I
In
In
n
i
n
N
n
N
2
1
3
2
4
3
-1
Устройство работает следующим образом. До установки геркона вблизи проводника с переменным током в лабораторных условиях в катушку индуктивности (КИ) размещают первый замыкающий геркон так, чтобы их продольные оси совпадали, затем в КИ подают переменный ток, постепенно увеличивая его до тока  измеряют величину  ток срабатывания  геркона, время  замкнутого состояния контактов геркона от момента срабатывания (замыкания) до момента возврата (размыкания) контактов и ток  возврата, при котором геркон возвращается в исходное положение, где  - наименьший ток в КИ, при котором происходит срабатывание геркона (замыкание контактов),  - амплитуда тока, далее увеличивают ток до >, измеряют  ( - величина амплитуды тока), ток срабатывания  геркона, и время  от момента срабатывания до возврата, затем увеличивают ток до >, измеряют  ( - величина амплитуды тока), ток срабатывания  геркона, и время  от момента срабатывания до возврата, затем увеличивают ток до > и так далее, повторяя предыдущие операции до >, где -1 - количество необходимых измерений времени и токов  и  (=1, 2…),  - кратность тока в КИ по отношению к минимальному току срабатывания геркона =30÷40, =50÷100, далее строят зависимость амплитуды тока в проводнике от времени замкнутого состояния  от момента срабатывания геркона до его возврата
строят зависимость значения тока срабатывания от времени замкнутого состояния  от момента срабатывания геркона до его возврата
U
U
U
U
U
U
k
i
k
k
(
K
2)
(
K
2)
(
K
2)
(
K
2)
(
K
2)
(
K
2)
дополнительно в лабораторных условиях во второй КИ размещают второй замыкающий геркон так, чтобы их продольные оси совпадали, затем в КИ подают переменное напряжение , определяют угол ψ между подаваемым напряжением и током, протекающим в КИ, далее постепенно увеличивая  до увеличения тока в КИ до  где  - наименьший ток, протекающий в КИ, при котором происходит срабатывание второго геркона (замыкание контактов),  - амплитуда тока, измеряют величину  время  замкнутого состояния контактов второго геркона, т.е. от момента срабатывания до момента возврата (размыкания контактов), и ток  при котором геркон возвращается в исходное положение. Далее увеличивают  до увеличения тока в КИ до  измеряют  где  - величина амплитуды тока, время  от момента срабатывания до возврата и ток срабатывания  затем увеличивают  до увеличения тока в КИ до  измеряют  где  - величина амплитуды тока, время  от момента срабатывания до возврата и ток срабатывания  затем увеличивают  до увеличения тока в КИ до  и так далее, повторяя предыдущие операции до  где  - ток в КИ при поданном напряжении =120 В, -1 - количество необходимых измерений времени и токов  и  (=1, 2…), =10÷15, далее строят зависимости величин амплитуды тока  и тока срабатывания  в КИ от времени замкнутого состояния  от момента срабатывания геркона до его возврата
КПР
вводят полученные зависимости в (1), (2), (3),  ψ,  в микропроцессор, в (1)  - амплитуда тока в проводнике,  - коэффициент пересчета тока в КИ на ток в проводнике, в (2)  - значение тока срабатывания геркона, расположенного вблизи проводника,  - значение тока возврата геркона, расположенного вблизи проводника.
Далее устанавливают первый геркон вблизи проводника, а вторую КИ со вторым герконом подключают к выводам вторичной обмотки трансформатора напряжения, оба геркона могут срабатывать параллельно, поэтому микропроцессор должен уметь одновременно выполнять следующие операции, при замыкании контактов геркона, установленного вблизи проводника, фиксируют астрономическое время  и , при котором произошло замыкание и размыкание его контактов, соответственно, затем с помощью микропроцессора по  находят из зависимости (1) величину амплитуды  а из зависимости (2) по  находят ток в проводнике  при котором геркон замкнул контакты, находят время  и  из формул  и  где  и  - промежутки времени от перехода синусоиды через ноль до срабатывания и от момента возврата до следующего перехода через ноль, соответственно, затем определяют астрономическое время перехода синусоиды тока через ноль по формуле
при срабатывании второго геркона с помощью микропроцессора фиксируют астрономическое время  измеряют время  замкнутого состояния геркона, при размыкании контактов геркона в КИ с помощью микропроцессора фиксируют астрономическое время  и по зависимостям (3) определяют величину амплитуды тока  тока срабатывания  затем находят время  и  из формул  и  где  и  - промежутки времени от перехода синусоиды через ноль до срабатывания и от момента возврата до следующего перехода через ноль, соответственно, и определяют астрономическое время перехода синусоиды тока в КИ через ноль по формуле
далее определяют переход синусоиды напряжения через ноль по формуле
запоминают это время до определения момента следующего перехода напряжения через ноль, далее определяют с помощью микропроцессора фазу установившегося переменного тока относительно напряжения по формуле
Рассмотрим конкретный пример с расчетом. После установки первого геркона вблизи проводника (фаза А) и подключения второй КИ со вторым герконом к выводам вторичной обмотки трансформатора напряжения (напряжение ВС) микропроцессор параллельно выполняет операции по обоим герконам. При замыкании контактов первого геркона, установленного вблизи проводника, фиксируют астрономическое время  и , при котором произошло замыкание и размыкание его контактов, соответственно, затем с помощью микропроцессора по  находят из зависимости  величину амплитуды  при этом коэффициент пересчета равен
а из зависимости  по  находят ток в проводнике  при котором геркон замкнул контакты, из формулы  находят ток в проводнике, при котором геркон разомкнул контакты, находят время
и
из формул  и
где  и  - промежутки времени от перехода синусоиды через ноль до срабатывания и от момента возврата до следующего перехода через ноль, соответственно, затем определяют астрономическое время перехода синусоиды тока через ноль по формуле
при срабатывании второго геркона с помощью микропроцессора фиксируют астрономическое время  измеряют время  замкнутого состояния геркона, при размыкании контактов геркона фиксируют астрономическое время  и по зависимостям  определяют величины амплитуды тока  тока срабатывания  тока возврата  затем находят время
и
из формул  и
где  и  - промежутки времени от перехода синусоиды через ноль до срабатывания и от момента возврата до следующего перехода через ноль, соответственно, и определяют астрономическое время перехода синусоиды тока в КИ через ноль по формуле
далее определяют переход синусоиды напряжения через ноль с учетом известного сдвига ψ=8 градусов между напряжением и током во второй КИ по формуле
запоминают это время до определения момента следующего перехода напряжения через ноль, далее определяют с помощью микропроцессора фазу установившегося переменного тока относительно напряжения по формуле
Таким образом, заявляемый способ идентификации переменного тока в проводнике с помощью замыкающего геркона позволяет за счет фиксации астрономического времени моментов срабатываний и возвратов герконов и определения моментов перехода синусоид тока и напряжения через ноль расширить область использования путем определения фазы установившегося переменного тока.