ФИЛЬТР ТОКА ОБРАТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НА ГЕРКОНАХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК С ГОРИЗОНТАЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ ТОКОПРОВОДАМИ
FILTER OF REVERSE SEQUENCE CURRENT ON MAGNETICALLY OPERATED SEALED SWITCHES FOR ELECTRIC PLANTS WITH HORIZONTALLY ARRANGED CURRENT CONDUCTORS

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты.
Известен фильтр тока обратной последовательности, содержащий трехобмоточный трансреактор, активное сопротивление, двухобмоточный трансформатор и исполнительный орган (Чернобровов Н.В. Релейная защита. - М.: Энергия, 1974. - 680 с.).
Однако этот фильтр имеет существенные недостатки, среди которых плохая чувствительность, являющаяся результатом большого уровня помех на выходе, и инерционность, обусловленная значительным потреблением мощности трансреактором от измерительных трансформаторов тока.
Наиболее близким к предлагаемому фильтру по технической сущности и достигаемому эффекту является фильтр тока обратной последовательности, содержащий первую, вторую обмотки и регулировочный резистор, последовательно подключенный ко второй обмотке (Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. - М.: Высш. шк., 1991. - 496 с.).
Недостатками фильтра являются невозможность работы без трансформаторов тока, что ограничивает область его использования, и малая чувствительность к междуфазным коротким замыканиям, обусловленная значительным небалансом, вызванным погрешностями этих трансформаторов.
Технический результат изобретения - расширение области использования и повышение чувствительности фильтра тока обратной последовательности при междуфазных коротких замыканиях.
1
1
2
2
1
2
1
2
1
2
Технический результат изобретения достигается тем, что в фильтр тока обратной последовательности, содержащий первую, вторую обмотки и регулировочный резистор, последовательно подключенный к первой обмотке, дополнительно введены первый, второй герконы, усилитель, фазоповоротная схема и исполнительный орган, причем первая обмотка намотана на первый геркон, вторая - на второй геркон, усилитель входом подключен к обмотке второго геркона, исполнительный орган - к контактам первого геркона, фазоповоротная схема входом подключена к выходу усилителя, обмотка первого геркона последовательно с регулировочным резистором - к выходу фазоповоротной схемы, а герконы с обмотками закреплены так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h=1,155d, х=0 и , второго - с точкой с координатами h=1,155d, x=2d и , где h(h) - расстояние в вертикальной плоскости от горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов до токопроводов, γ (γ) - угол между горизонтальной линией и продольной осью первого (второго) геркона, х (х) - расстояние от центра тяжести первого (второго) геркона до вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы A, d - расстояние между проводниками соседних фаз.
На чертеже представлена схема фильтра тока обратной последовательности.
Фильтр содержит герконы 1 и 2 с нормально разомкнутыми контактами и обмотками 3 и 4, усилитель 5, фазоповоротную схему 6, регулировочный резистор 7, исполнительный орган 8. Усилитель 5 входами подключен к обмотке 4 геркона 2, а выходами - к входам фазоповоротной схемы 6, которая выходами через регулировочный резистор 7 подключена к обмотке 3 геркона 1.
1
2
min
1
2
1
2
1
2
1
2
1
2
Предлагаемый фильтр тока на герконах предназначен для решения задачи построения устройств релейных защит обратной последовательности, которые в качестве измерительных преобразователей тока используют герконы. Для этого герконы 1 и 2 расположены в магнитном поле токопроводов 9, 10 и 11 фаз А, В и С соответственно. Их положение определяется расстоянием h (h) в вертикальной плоскости от горизонтальной линии 12, проходящей через центры тяжести герконов 1 и 2, до токопроводов 9, 10, 11, которое должно быть больше либо равно минимально допустимому h по технике безопасности значения (Правила устройства электроустановок. Санкт-Петербург: Деан, 2002. - 928 с.); расстоянием х (х) от центра тяжести геркона 1 (2) до вертикальной линии 13, проходящей через центр токопровода фазы А; углом γ (γ) в вертикальной плоскости между линией 12 и продольной осью геркона 1 (2). Расстояния h (h), x (x) и угол γ (γ) выбираются так, чтобы на геркон 1 (2) действовало магнитное поле, созданное токами фаз А, В и С, не содержащее составляющих нулевой последовательности. Для реализации этого рассмотрим известное выражение индукции  магнитного поля, действующего вдоль продольной оси геркона (Клецель М.Я., Мусин В.В. О построении на герконах защит высоковольтных установок без трансформаторов тока. // Электротехника. - 1987. - №4. - С.11-13)
A
B
C
1
2
3
A
B
C
0
A
B
C
где B, B и B - индукции магнитных полей в точке установки центра тяжести геркона 1, созданных токами фаз А, В и С соответственно; α, α, α - углы между продольной осью геркона 1 и B, B и B соответственно; µ - магнитная проницаемость воздуха; g, g и g - коэффициенты, полученные с помощью элементарной геометрии и закона Био-Савара-Лапласа для определения индукции магнитного поля, находятся по формулам:
Известно (Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высш. школа, 1973. - 752 с.), что составляющие токов нулевой последовательности образованы тремя векторами, совпадающими по фазе, , следовательно, если, например, для геркона 1 в формуле (1) принять
то на этот геркон магнитное поле нулевой последовательности, созданное токами контролируемых фаз, не будет действовать. Для геркона 2 такими условиями будут
Тогда для того чтобы геркон 1 выполнял функции реагирующего элемента фильтра токов обратной последовательности вдоль его продольной оси должно действовать магнитное поле с индукцией
Но так как вдоль продольной оси геркона 1 действуют магнитные поля, созданные не только токами фаз А, В, С, протекающими по токопроводам, но и током его обмотки 3, то для выполнения (5) необходимо, чтобы
где  - индукция магнитного поля, действующего вдоль продольной оси геркона 1, созданного суммой токов ,  и  токопроводов 9, 10 и 11;  - индукция магнитного поля, созданного током  в обмотке 3, полученным на выходе усилителя 5 при наличии фазоповоротной схемы 6 и регулировочного резистора 7, необходимых для регулирования .
Формула (7) получается из (1) при выполнении (3). Индукция  магнитного поля, создаваемого током , протекающим в обмотке 3 геркона 1, по амплитуде должна быть равна , где  - индукция магнитного поля, действующего вдоль продольной оси геркона 2 и его обмотки 4, создаваемого токами ,  и  фаз А, В и С.  определяется по формуле (1) при выполнении (4)
Сдвиг фазы на 46,83° согласно (8) обеспечивает фазоповоротная схема 6.
1
1
1
1
Для нахождения координат геркона 1 будем рассматривать (3) как совместные уравнения с неизвестными x и γ. Из  по (2) получим , а из  - . Откуда, приравнивая выражения в скобках, получаем уравнение  четвертой степени, которое проще всего решить, приняв x=0, то есть расположить центр тяжести геркона 1 под токопроводом фазы А, тогда неизвестным станет h. Уравнение примет вид  или , откуда
min
h=0,909d взято из книги: Правила устройства электроустановок. Санкт-Петербург: Деан, 2002. - 928 с.
Аналогично для геркона 2, решая (4) из  по (2) получаем , а из  -
2
2
. Откуда, приравнивая выражения в скобках, получаем уравнение  четвертой степени, в котором принимаем х=2d, то есть центр тяжести геркона 2 располагается под токопроводом фазы С, и находим h. Уравнение примет вид  или , откуда
ВНЕШ4
4
Магнитный поток  есть поток вектора магнитной индукции  через площадь  (D - внешний диаметр обмотки 4) поперечного сечения обмотки 4 геркона 2, то есть . Магнитный поток  наводит в обмотке 4 геркона 2 электродвижущую силу, мгновенное значение которой определяется по формуле  взятой из книг: Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высш. школа, 1973. - 752 с.; Буртаев Ю.В., Овсянников П.Н. Теоретические основы электротехники. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 552 с., где f - частота промышленного тока, W - количество витков обмотки 4 геркона 2.  можно представить как
сдвинута относительно  на угол π/2. Этот сдвиг также компенсируется фазоповоротной схемой 6.  усиливается усилителем 5 и создает ток  в обмотке 3 геркона 1
ВЫХ
где Z - сопротивление выходной цепи усилителя 5, состоит из сопротивлений
ОБМ 3
7
Zобмотки 3 геркона 1 и r регулировочного резистора 7.
С другой стороны, ток  должен создавать магнитное поле с индукцией  в центре продольной оси обмотки 3, определяемой по формуле (8). Тогда в соответствии с (Зайчик М.Ю. Сборник задач и упражнений по теоретической электротехнике. - М.: Энергия, 1973. - 448 с.)
3
CP.3
3
3
4
где l - длина каркаса обмотки 3 геркона 1; D - средний диаметр обмотки 3; W - количество витков обмотки 3 геркона 1. Обмотки 3 и 4 можно намотать непосредственно на герконы 1 и 2 либо использовать обмотки круглого сечения от стандартных реле. В последнем случае внутренний диаметр обмоток 3 и 4 должен быть немного больше диаметра баллонов герконов 1 и 2, чтобы можно было закрепить герконы внутри обмоток, а l и l обмоток примерно равны длинам баллонов герконов 1 и 2.
У
7
Приравнивая (13) и (14), учитывая (12) и  определяем предварительный коэффициент К усиления при отсутствии регулировочного резистора 7 (r=0)
У
У
Рассчитанное по (15) значение  округляют до большего стандартного коэффициента К усиления. Из формулы (15) следует, что К усилителя 5 зависит только от параметров обмоток 3 и 4 и координат установки герконов.
У
вых
7
Выбрав усилитель по К, необходимо найти значение активного сопротивления r выходной цепи усилителя 5 с учетом сопротивления r регулировочного резистора 7 и найденного по (14) значения . Это можно сделать по формуле
7
Тогда активное сопротивление r регулировочного резистора 7 будет равно
Фазоповоротная схема 6 должна компенсировать сдвиг по фазе  и , то есть
Если выразить  через , то получим
Тогда индукция  магнитного поля, действующего вдоль продольной оси геркона 1, будет равняться , а сам геркон станет выполнять функции реагирующего элемента фильтра токов обратной последовательности.
Фильтр работает следующим образом.
НБ
НБ
ОТС
ОТС
В нормальном режиме работы электроустановки токи обратной последовательности отсутствуют, и на геркон 1 действует магнитное поле с индукцией В (напряженностью Н) небаланса, которое обусловлено неточностью установки герконов 1 и 2 в рассчитанные координаты и допустимой несимметрией системы токов А, В и С, протекающих по токопроводам. Чтобы геркон 1 не срабатывал в нормальном режиме, его напряженность  срабатывания должна быть больше напряженности небаланса, то есть , где К - коэффициент отстройки, К=1,2.
При замыкании на землю по токопроводам электроустановки протекают токи нулевой последовательности. Благодаря рассчитанным координатам установки герконов магнитное поле нулевой последовательности, созданное токами контролируемых фаз, не будет действовать ни на герконы, ни на их обмотки. В этом можно легко убедиться, если в формулу (5) подставить систему токов нулевой последовательности, образованную тремя векторами, совпадающими по фазе . Формула (5) при этом станет равной нулю, а геркон 1, выполняющий функции реагирующего элемента фильтра, не срабатывает.
При междуфазных коротких замыканиях по токопроводам электроустановки протекают токи обратной последовательности. При этом напряженность срабатывания геркона 1 оказывается меньше напряженности воздействующего на него магнитного поля, созданного токами обратной последовательности. В этом можно легко убедиться если в формулу (5) подставить систему токов обратной последовательности, образованную тремя векторами , , . Формула (5) при этом станет равной . Геркон 1 сработает, замыкая контакты, и подаст сигнал на исполнительный орган 8.
При этих же замыканиях по токопроводам также протекают токи и прямой последовательности. Но при этом магнитное поле, созданное токами прямой последовательности, не будет действовать ни на герконы, ни на их обмотки. В этом можно также убедиться подставив в формулу (5) систему токов прямой последовательности образованную тремя векторами , , . Формула (5) при этом станет равной нулю, поэтому геркон 1, выполняющий функции реагирующего элемента фильтра, не срабатывает.
Таким образом, сигнал на выходе предлагаемого фильтра появится только при повреждениях электроустановки, сопровождающихся токами обратной последовательности.
При построении защит обратной последовательности на основе предлагаемого фильтра технико-экономическая эффективность заключается в уменьшении материальных затрат, связанных с ремонтом электроустановки, за счет ее отключения на более раннем этапе развития повреждения благодаря высокой чувствительности фильтра.