СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПРОВОДНИКЕ С ПОМОЩЬЮ ЗАМЫКАЮЩЕГО ГЕРКОНА
METHOD OF THE AC VOLTAGE IDENTIFICATION IN THE CONDUCTOR WITH THE HELP OF THE CASTING HERCON

Изобретение относится к энергетике, а именно к измерительной технике, и может быть использовано для построения дифференциально-фазных защит.
Известен способ идентификации тока [Чернобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем: Учеб. пособие для техникумов. - М.: Энергоатомиздат, 1998. - С. 146-148], при котором создают магнитный поток в стальном сердечнике путем подачи тока в первичную обмотку, и преобразуют этот магнитный поток в электродвижущую силу во вторичной обмотке.
Для реализации этого способа необходимы трансформаторы тока, которые весьма металлоемки и искажают кривую тока при насыщении, а при обрыве вторичной цепи появляется высокое напряжение в месте обрыва.
ср
в
1
CP
B
(n)
(n)
(n)
Наиболее близким к предлагаемому является способ идентификации 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 геркон устанавливают вблизи проводника, настраивают его так, чтобы он срабатывал и замыкал контакты при токе I в проводнике, возвращался в исходное положение и размыкал контакты при токе I, измеряют промежуток времени t между моментом t замыкания и моментом t размыкания контактов и по этому времени определяют амплитуду тока по формуле
где ;
- частота переменного тока.
Недостатком этого способа является ограниченная область использования из-за того, что способ позволяет определять только амплитуду переменного тока и поэтому исключает возможность построения фазосравнивающих схем и реле направления мощности без использования трансформаторов тока для получения информации.
Задачей изобретения является расширение области использования способа идентификации переменного тока в проводнике за счет определения изменения его фазы.
ср
в
1
CP
B
(n)
(n)
(n)
Это достигается тем, что в способе идентификации переменного тока в проводнике с помощью замыкающего геркона, так же как и в прототипе, геркон устанавливают вблизи проводника, настраивают его так, чтобы он срабатывал и замыкал контакты при токе I в проводнике, возвращался в исходное положение и размыкал контакты при токе I, измеряют промежуток времени t между моментом t замыкания и моментом t размыкания контактов и по этому времени определяют амплитуду тока по формуле
где ;
- частота переменного тока.
Согласно изобретению после настройки геркона включают электроустановку и при появлении переменного тока в проводнике:
1,2
а) измеряют премежуток времени t между моментами первого и второго размыкания контактов геркона и продолжают измерять промежутки времени между следующими размыканиями контактов геркона до достижения 0,01 с;
1
CP
B
B
(n)
(n)
(n)
(n)
б) измеряют промежуток времени t между моментом t замыкания и моментом t размыкания контактов, фиксируют время момента tразмыкания контактов геркона и определяют амплитуду переменного тока;
01
B
0
(n)
(n)
(n)
в) определяют промежуток времени t от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль:
0
B
01
(n)
(n)
(n)
г) затем определяют время момента перехода синусоиды через ноль t=t+t и запоминают его;
T/2
0
0
(n)
(n-1)
д) определяют длительность полуволны синусоиды переменного тока t=t-t;
T/2
1
(n+1)
е) если t=0,01 с, то повторяют измерение промежутка времени t между замыканием и размыканием контактов геркона и действия б), в), г), д);
T/2
1
1
1
1
T
0
0
(n)
(n)
(n-1)
(n+1)
(n+1)
(n-1)
ж) при других значениях t, или когда t≥0,01 с, или t≥1.2⋅t, или , измеряют промежуток времени t между замыканием и размыканием контактов геркона, повторяют действия б), в), г) и определяют длительность периода t=t-t;
T
1
(n+2)
з) если t=0,02 с, то повторяют измерение промежутка времени t между замыканием и размыканием контактов геркона и действия б), в), г), д);
T
и) при других значениях t определяют сдвиг фазы переменного тока:
Предлагаемый способ идентификации переменного тока в проводнике с помощью замыкающего геркона, в отличие от прототипа, позволяет за счет определения моментов перехода через ноль синусоиды тока определять изменения фазы.
На фиг. 1 представлено устройство, реализующее заявляемый способ.
На фиг. 2 представлена синусоида нормального режима без изменения сдвига по фазе и амплитуды.
На фиг. 3 представлена синусоида со сдвигом по фазе более 90 градусов во время замкнутого состояния геркона без изменения амплитуды.
На фиг. 4 представлена синусоида со сдвигом по фазе более 90 градусов во время разомкнутого состояния геркона без изменения амплитуды.
На фиг. 5 представлена синусоида со сдвигом по фазе более 180 градусов во время разомкнутого состояния геркона с изменением амплитуды.
На фиг. 6 представлена синусоида со сдвигом по фазе менее 90 градусов во время замкнутого состояния геркона без изменения амплитуды.
Способ идентификации переменного тока в проводнике с помощью геркона может быть реализован с помощью устройства (фиг. 1), в котором геркон 1 расположен вблизи проводника 2 с переменным током на безопасном расстоянии от него. Контакты геркона 1 подключены к таймеру 3 (Т), к которому подключены часы 4 (Ч). Таймер 3 (Т) подключен к первому блоку памяти 5 (П1), который подключен к первому вычислительному блоку 6 (ВЧ1), который подключен к дисплею 7 (Д) и к блоку сравнения 8 (БС), который подключен к таймеру 3 (Т) и ко второму вычислительному блоку 9 (ВЧ2), который подключен к дисплею 7 (Д). Блок задания 10 (БЗ) подключен к первому и второму вычислительным блокам 6 (ВЧ1), 9 (ВЧ2) и к блоку сравнения 8 (БС). Второй блок памяти 11 (П2) подключен к первому и второму вычислительным блокам 6 (ВЧ1) и 9 (ВЧ2).
В качестве геркона 1 может быть использован геркон МКА-10110. Таймер 3 (Т), часы 4 (Ч), первый блок памяти 5 (П1), первый и второй вычислительные блоки 6 (ВЧ1) и 9 (ВЧ2), блок сравнения 8 (БС), блок задания 10 (БЗ) и второй блок памяти 11 (П2) могут быть реализованы с помощью микроконтроллера на базе ATmega328. В качестве дисплея 7 (Д) использован LCD дисплей WH1602D-YGH-CTK.
ср
в
ср
в
1,2
B
1
(n)
(n)
Устройство работает следующим образом. Геркон устанавливают вблизи проводника, настраивают его так, чтобы он срабатывал и замыкал контакты при токе I в проводнике, возвращался в исходное положение и размыкал контакты при токе I. До включения устройства в работу в блок задания 10 (БЗ) вводят данные о токах I срабатывания, I возврата геркона 1, его частоту  и длительности полуволны и периода. После включения электроустановки и при появлении переменного тока в проводнике измеряют промежуток времени t между моментами первого и второго размыкания контактов геркона и продолжают измерять промежутки времени между следующими размыканиями контактов геркона до достижения 0,01 с между (n-1) и (n) размыканиями. Затем переходят к идентификации переменного тока в проводнике с помощью замыкающего геркона. Первое срабатывание и размыкание контактов геркона после перехода к идентификации являются точками отсчета, поэтому изменение сдвига по фазе можно определять только со второй полуволны. Для идентификации переменного тока в проводнике постоянно контролируют состояние контактов геркона 1. При срабатывании геркона и замыкании его контактов запускают таймер 3 (Т), при размыкании контактов геркона 1 останавливают таймер 3 (Т) и фиксируют момент t, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в первом блоке памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t на таймере 3 (Т) сохраняют в первом блоке памяти 5 (П1). Далее в первом вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяют: амплитуду переменного тока
01
B
0
(n)
(n)
(n)
промежуток времени t от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль по формуле
0
B
01
T/2
0
0
0
m
T/2
T/2
1
T/2
1
1
1
1
B
01
0
0
0
B
01
T
0
0
m
T
T
1
T
(n)
(n)
(n)
(n)
(n-1)
(n)
(n)
(n+1)
(n)
(n)
(n-1)
(n+1)
(n+l)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n-1)
(n+1)
(n+2)
время момента перехода синусоиды через ноль t=t+t, длительность полуволны синусоиды переменного тока t=t-t. Время момента tзапоминают во втором блоке памяти 11 (П2), а значение амплитуды переменного тока I отображают на дисплее 7 (Д). Длительность полуволны t сравнивают в блоке сравнения 8 (БС), и если t=0,01 с, то повторяют действия, начиная с измерения промежутка времени t между замыканием и размыканием контактов геркона, так как изменения фазы переменного тока не было. Если t≠0,01 с или когда t≥0,01 с, или t≥1,2⋅t, или , то предположительно произошло изменение режима и поэтому производят идентификацию следующей полуволны: измеряют промежуток времени t между срабатыванием и возвратом контактов геркона, фиксируют время момента t размыкания контактов геркона, определяют амплитуду переменного тока , промежуток времени t от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль  и время момента перехода синусоиды через ноль t=t+t, определяют длительность периода t=t-t, отображают значение амплитуды тока I на дисплее 7 (Д). Длительность периода t сравнивают в блоке сравнения 8 (БС), если t=0,02 с, то изменение сдвига фазы не подтвердилось, и повторяют действия, начиная с измерения промежутка времени t между замыканием и размыканием контактов геркона, если t≠0,02 с, то сдвиг фазы подтвердился, и его определяют в вычислительном блоке 9 (ВЧ2)  и отображают на дисплее 7 (Д).
B
1
m
01
B
0
0
T/2
0
m
T/2
T/2
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
При срабатывании геркона и замыкании его контактов (фиг. 2) запускали таймер 3 (Т), при размыкании контактов геркона 1 останавливали таймер 3 (Т) и фиксировали момент t, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в первом блоке памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t на таймере 3 (Т) сохраняли в первом блоке памяти 5 (П1). Далее в первом вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяли: амплитуду переменного тока I, промежуток времени t от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль, время момента перехода синусоиды через ноль t, длительность полуволны t переменного тока. Время момента t сохраняли во втором блоке памяти 11 (П2), а значение амплитуды тока I отображали на дисплее 7 (Д). В блоке сравнения 8 (БС) t сравнивали с заданным значение длительности полуволны. Так как t=0,01 с, то сдвига фазы переменного тока не было.
B
1
1
1
B
m
m
01
B
0
0
T
T
T
(n)
(n)
(n)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
При срабатывании геркона и замыкании его контактов (фиг. 3) запускали таймер 3 (Т), при размыкании контактов геркона 1 останавливали таймер 3 (Т) и фиксировали момент t, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в первом блоке памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t на таймере 3 (Т) сохраняли в первом блоке памяти 5 (П1). Так как t≥0,01 с, то предположительно было изменение сдвига фазы и переходили к идентификации следующей полуволны для подтверждения этого сдвига, измеряли промежуток времени t между замыканием и размыканием контактов геркона на таймере 3 (Т), фиксировали t, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в первом блоке памяти 5 (П1), определяли амплитуду переменного тока I в вычислительном блоке 6 (ВБ1), отображали значение амплитуды тока I на дисплее 7 (Д), определяли промежуток времени t от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли момент t перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли длительность периода t. В блоке сравнения 8 (БС) tсравнивали с заданным значение длительности периода. Так как t≠0,02 с, то сдвиг фазы подтвердился и определяли Δϕ во втором вычислительном блоке 9 (ВБ2).
B
1
m
01
B
0
Q
T/2
0
m
T/2
T/2
1
B
m
01
B
0
0
T
T
T
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+l)
(n+1)
При срабатывании геркона и замыкании его контактов (фиг. 4) запускали таймер 3 (Т), при размыкании контактов геркона 1 останавливали таймер 3 (Т) и фиксировали момент t, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t на таймере 3 (Т) сохраняли в памяти 5 (П1). Далее в вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяли: амплитуду переменного тока I, промежуток времени t от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль, время момента перехода синусоиды через ноль t, длительность полуволны t. Время момента t запоминали в блоке памяти 11 (П2), а значение амплитуды тока I отображали на дисплее 7 (Д). В блоке сравнения 8 (БС) t сравнивали с заданным значение длительности полуволны. Так как t≠0,01 с, то был сдвиг фазы и переходили к идентификации следующей полуволны для подтверждения этого сдвига. Измеряли промежуток времени t между замыканием и размыканием контактов геркона на таймере 3 (Т), фиксировали t, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1), определяли амплитуду переменного тока I в вычислительном блоке 6 (ВБ1), отображали значение амплитуды тока на дисплее 7 (Д), определяли промежуток времени t от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли момент t перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли длительность периода t. В блоке сравнения 8 (БС) t сравнивали с заданным значение длительности периода. Так как t≠0,02 с, то сдвиг фазы подтвердился и определяли Δϕ во втором вычислительном блоке 9 (ВБ2).
B
1
m
01
B
0
0
T/2
0
m
T/2
T/2
1
B
m
m
01
B
0
Q
T.
T
T
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n)
(n+1)
(n+l)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
(n+l)
При срабатывании геркона и замыкании его контактов (фиг. 5) запускали таймер 3 (Т), при размыкании контактов геркона 1 останавливали таймер 3 (Т) и фиксировали момент t, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t на таймере 3 (Т) сохраняли в памяти 5 (П1). Далее в вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяли: амплитуду переменного тока I, промежуток времени t от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль, время момента перехода синусоиды через ноль t, длительность полуволны t. Время момента t запоминали в блоке памяти 11 (П2), а значение амплитуды тока I отображали на дисплее 7 (Д). В блоке сравнения 8 (БС) t сравнивали с заданным значение длительности полуволны. Так как t≠0,01 с, то был сдвиг фазы и переходили к идентификации следующей полуволны для подтверждения этого сдвига. Измеряли промежуток времени t между замыканием и размыканием контактов геркона на таймере 3 (Т), фиксировали t, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1), определяли амплитуду переменного тока I в вычислительном блоке 6 (ВБ1), отображали значение амплитуды тока I на дисплее 7 (Д), определяли промежуток времени t от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли момент t перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли длительность периода t В блоке сравнения 8 (БС) t сравнивали с заданным значение длительности периода. Так как t≠0,02 с, то сдвиг фазы подтвердился и определяли Δϕ во втором вычислительном блоке 9 (ВБ2).
B
1
1
B
m
m
01
B
0
0
T
T
T
(n)
(n)
(n+l)
(n+l)
(n+1)
(n+1)
(n+l)
(n+1)
(n+1)
(n+1)
При срабатывании геркона и замыкании его контактов (фиг. 6) запускали таймер 3 (Т), при размыкании контактов геркона 1 останавливали таймер 3 (Т) и фиксировали момент t, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t на таймере 3 (Т) сохраняли в памяти 5 (П1). Так как , то было изменение сдвига фазы или уменьшение амплитуды тока и переходили к идентификации следующей полуволны для подтверждения этого, измеряли промежуток времени t между замыканием и размыканием контактов геркона на таймере 3 (Т), фиксировали t, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1), определяли амплитуду переменного тока I в вычислительном блоке 6 (ВБ1), отображали значение амплитуды тока I на дисплее 7 (Д), определяли промежуток времени t от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли момент t перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли длительность периода t. В блоке сравнения 8 (БС) t сравнивали с заданным значение длительности периода. Так как t≠0,02 с, то сдвиг фазы подтвердился и определяли Δϕ во втором вычислительном блоке 9 (ВБ2).
B
1
(n)
(n)
Для всех операций со временем в устройстве имеются часы 4 (Ч), на которых установлено реальное астрономическое время. Время считают с точностью не менее 1 мкс. В примере приведена идентификация переменного тока в проводнике с помощью замыкающего геркона в нормальном режиме. При появлении переменного тока в проводнике, после включения выключателя электроустановки, и первом размыкании контактов геркона 1 включают таймер 3 (Т), при втором размыкании контактов геркона 1 таймер останавливают, полученное на таймере время сравнивают в блоке сравнения 8 (СБ). Если оно равняется 0,01 с, то переходят к идентификации переменного тока в проводнике. При срабатывании геркона 1 и замыкании его контактов включают таймер 3 (Т). При размыкании контактов геркона останавливают таймер и фиксируют момент t, запоминают в памяти 5 (П1) его время на часах 13:05:01,007155. Время на таймере 3 (Т) сохраняют в памяти 5 (П1), как t=0,007 с. В первом вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяют амплитуду тока:
B
0
(n)
(n)
Затем в первом вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяют промежуток времени от момента t размыкания контактов геркона до момента t перехода синусоиды переменного тока через ноль:
Потом в первом вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяют время момента перехода синусоиды через ноль
Q
(n)
t=13:05:01,007155+0,00106=13:05:01,008215
0
(n-1)
и длительность полуволны, используя время момента предыдущего перехода синусоиды через ноль t=13:05:01,998215
T/2
0
0
(n)
(n-1)
t=t-t=13:05:01,008215-13:05:00,998215=0,01 с.
m
T/2
(n)
Значение тока I отображают на дисплее 7 (Д). В блоке сравнения 8 (БС) сравнивают длительность полуволны с 0,01 с, так как t=0,01 с, то переходят к идентификации следующей полуволны.
Таким образом, заявляемый способ идентификации переменного тока в проводнике с помощью геркона позволяет определять амплитуду и изменение фазы переменного тока.