ФИЛЬТР ТОКА НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ НА ГЕРКОНАХ ДЛЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ С ГОРИЗОНТАЛЬНО РАСПОЛОЖЕННЫМИ ТОКОПРОВОДАМИ
FILTER OF ZERO-SEQUENCE CURRENT ON MAGNETIC REED SWITCHES FOR ELECTRIC INSTALLATION WITH HORIZONTAL CURRENT LEADS

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты.
Известен фильтр тока нулевой последовательности, содержащий реле тока, подключенное к трансформаторам тока электроустановки, логическую часть, подключенную к реле тока, и исполнительный орган, подключенный к логической части (Федосеев А.М. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976. - 560 с.).
Однако этот фильтр имеет существенный недостаток, так как он не может работать без трансформаторов тока и в ряде случаев не обладает достаточной чувствительностью к коротким замыканиям на землю.
Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство токовой защиты электроустановок на герконах, содержащее первый, второй геркон, логическую часть, подключенную к контактам первого геркона, исполнительный орган, подключенный к выходу логической части (Клецель М.Я., Мусин В.В. Выбор тока срабатывания максимальной токовой защиты без трансформаторов тока на герконах // Промышленная энергетика. - 1990. - №4. - С.32-36).
Недостатком этого устройства является малая чувствительность к коротким замыканиям на землю в сетях с заземленной нейтралью.
Технический результат изобретения - повышение чувствительности фильтра тока нулевой последовательности при коротких замыканиях на землю в сетях с заземленной нейтралью.
1
1
2
2
1
2
1
2
Технический результат изобретения достигается тем, что в фильтр тока нулевой последовательности, содержащий первый, второй геркон, логическую часть, подключенную к контактам первого геркона, исполнительный орган, подключенный к выходу логической части, согласно изобретению дополнительно введены первая, вторая обмотки, намотанные на первый, второй герконы соответственно, регулировочный резистор, подключенный к первой обмотке, усилитель, подключенный ко второй обмотке, фазоповоротная схема, входами подключенная к выходам усилителя, а выходами через регулировочный резистор - к первой обмотке, причем первый и второй герконы с первой, второй обмотками закреплены так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h, γ=arctg(2h/(3d)) и x=d/2, а второго - с точкой с координатами h, γ=-arctg(2h/(3d)), x=3·d/2, где 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, x (x) - расстояние от центра тяжести первого (второго) геркона до вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы А, d - расстояние между проводниками соседних фаз.
На чертеже представлена схема фильтра тока нулевой последовательности.
Фильтр содержит герконы 1 и 2 с нормально разомкнутыми контактами и обмотками 3 и 4, усилитель 5, фазоповоротную схему 6, регулировочный резистор 7, логическую часть 8, исполнительный орган 9. 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
1
2
1
2
1
2
Предлагаемый фильтр тока на герконах предназначен для решения задачи построения устройств релейных защит нулевой последовательности, которые в качестве измерительных преобразователей тока использует герконы. Для этого герконы 1 и 2 располагают в магнитном поле токопроводов 10, 11 и 12 фаз А, В и С соответственно. Их положение определяется: расстоянием h в вертикальной плоскости от горизонтальной линии 13, проходящей через центры тяжести герконов 1 и 2, до токопроводов 10, 11, 12; расстоянием x (x) от центра тяжести геркона 1 (2) до вертикальной линии 14, проходящей через центр токопровода фазы А; углом γ (γ) в вертикальной плоскости между линией 13 и продольной осью геркона 1 (2). Расстояние x (x) и угол γ (γ) выбираются так, чтобы на геркон 1 (2) действовало магнитное поле, созданное токами фаз А и В (В и С). 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 В, B и В - 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 В, В и В 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:
Для того чтобы геркон 1 выполнял функции реагирующего элемента фильтра токов нулевой последовательности вдоль его продольной оси, должно действовать магнитное поле с индукцией
Так как
то для выполнения (3) необходимо чтобы
где  - индукция магнитного поля, действующего вдоль продольной оси геркона 1, созданного суммой токов  и  токопроводов 10, 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 (5) получается из (1) при одновременном выполнении следующих условий
Индукция  магнитного поля, которое создается в обмотке 3 геркона 1, по амплитуде и фазе должна быть равна индукции  магнитного поля, действующего вдоль продольной оси геркона 2 и его обмотки 4, создаваемого токами  и  фаз В и С. Индукция  определяется по формуле
Формула (8) получена из (1) при одновременном выполнении следующих условий
Для того чтобы значения индукций, определяемые по формулам (6) и (8), были равны, необходимо, чтобы выполнялось равенство
1
1
Для нахождения координат геркона 1 будем рассматривать (7) как совместные уравнения с неизвестными x, и γ. Из  по (2) получим , а из . Откуда, приравнивая выражения в скобках, находим
Аналогично для геркона 2, решая (9), из  по (2) получаем , а из  Откуда находим
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 взаимоиндукции, мгновенное значение которой определяется по формуле  взятой из (Буртаев Ю.В., Овсянников П.H. Теоретические основы электротехники. - М.: Энергоатомиздат, 1984. - 552 с.; Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники. - М.: Высш. школа, 1973. - 752 с.), где f - частота промышленного тока, W - количество витков обмотки 4 геркона 2. Ее действующее значение определится как
сдвинута относительно  на угол π/2. Этот сдвиг позже 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
ОБМ3
ПРОВ
7
Z - обмотки 3 геркона 1, Z - соединительных проводов и r - регулировочного резистора 7.
У
При этом ток , фaзa которого может регулироваться параметрами фазоповоротной схемы 6, а амплитуда - изменением сопротивления резистора 7 (плавно) и коэффициентом К усиления усилителя 5 (грубо), должен создать магнитное поле в центре на оси обмотки 3 с индукцией , определяемой по формуле (6) (Зайчик М.Ю. Сборник задач и упражнений по теоретической электротехнике. - М.: Энергия, 1973. - 448 с.), то есть
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
Из приведенных равенств (13), (14), (15), при условии отсутствия регулировочного резистора 7, следует, что предварительно коэффициент К усиления можно вычислить по формуле
У
У
Рассчитанное по (16) значение  округляют до большего стандартного коэффициента К усиления по напряжению. Из формулы (16) следует, что К усилителя 5 зависит только от параметров обмоток 3 и 4.
У
Выбрав усилитель по К, необходимо найти значение активного сопротивления
ВЫХ
7
r выходной цепи усилителя 5 с учетом сопротивления r регулировочного резистора 7 с помощью найденного по (15) значения . Это можно сделать по формуле
ПРОВ
7
Тогда, пренебрегая сопротивлением Z соединительных проводов, активное сопротивления r регулировочного резистора 7 будет равно
Фазоповоротная схема 6 должна компенсировать разницу по фазе  и , рассчитанных по формулам (14) при отсутствии фазоповоротной схемы и (15), то есть
Если выразить  через  с помощью формул (13), (14) и (15), то получим
ПР
Если расчет выполнен правильно, то в (20) К должен быть равен единице. Тогда индукция  магнитного поля, действующего вдоль продольной оси геркона 1, будет равняться , а сам геркон станет выполнять функции реагирующего элемента фильтра нулевой последовательности.
Фильтр работает следующим образом.
НБ
НБ
ОТС
ОТС
В нормальном режиме работы электроустановки токи нулевой 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 коротком замыкании на землю по токопроводам электроустановки протекают токи нулевой последовательности. При этом напряженность срабатывания геркона 1 оказывается меньше напряженности воздействующего на него магнитного поля, созданного токами нулевой последовательности, и геркон срабатывает, замыкая контакты и подавая сигнал через логическую часть 8 на исполнительный орган 9.
Таким образом, сигнал на выходе предлагаемого фильтра появится только при повреждениях электроустановки, сопровождающихся токами нулевой последовательности.
При построении защит нулевой 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.