фильтр тока нулевой последовательности на герконах для электроустановки с горизонтально расположенными токопроводами

Формула изобретения

Фильтр тока нулевой последовательности, содержащий первый, второй геркон, логическую часть, подключенную к контактам первого геркона, исполнительный орган, подключенный к выходу логической части, отличающийся тем, что в его устройство 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 обмотке первого геркона, причем первый и второй герконы с первой, второй обмотками закреплены так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами h, ₁=arctg(2h/(3d)) и x₁=d/2, а второго - с точкой с координатами h, ₂=-arctg(2h/(3d)), x₂=3·d/2, где h - расстояние в вертикальной плоскости от горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов до токопроводов, ₁ ( ₂) - угол между горизонтальной линией и продольной осью первого (второго) геркона, x₁ (x₂) - расстояние от центра тяжести первого (второго) геркона до вертикальной линии, проходящей через центр токопровода фазы A, d - расстояние между проводниками соседних фаз.

Описание изобретения к патенту

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.

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, ₁=arctg(2h/(3d)) и x₁=d/2, а второго - с точкой с координатами h, ₂=-arctg(2h/(3d)), x₂=3·d/2, где h - расстояние в вертикальной плоскости от горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов до токопроводов, ₁ ( ₂) - угол между горизонтальной линией и продольной осью первого (второго) геркона, x₁ (x₂) - 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.

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 x₁ (x₂ ) от центра тяжести геркона 1 (2) до вертикальной линии 14, проходящей через центр токопровода фазы А; углом ₁ ( ₂) в вертикальной плоскости между линией 13 и продольной осью геркона 1 (2). Расстояние x₁ (x ₂) и угол ₁ ( ₂) 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)

где В_A, B_B и В_C - индукции магнитных полей в точке установки центра тяжести геркона 1, созданных токами фаз А, В и С соответственно; ₁, ₂, ₃ - углы между продольной осью геркона 1 и В _A, В_B и В_C соответственно; µ ₀ - магнитная проницаемость воздуха; g_A, g _B и g_C - 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

Для нахождения координат геркона 1 будем рассматривать (7) как совместные уравнения с неизвестными x ₁, и ₁. 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

Магнитный поток - есть поток вектора магнитной индукции через площадь (D_ВНЕШ4 - 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 ₄ - количество витков обмотки 4 геркона 2. Ее действующее значение определится как

сдвинута относительно на угол /2. Этот сдвиг позже компенсируется фазоповоротной схемой 6. усиливается усилителем 5 и создает ток в обмотке 3 геркона 1,

где Z_ВЫХ - сопротивление выходной цепи усилителя 5, состоит из сопротивлений

Z_ОБМ3 - обмотки 3 геркона 1, Z_ПРОВ - соединительных проводов и r₇ - регулировочного резистора 7.

При этом ток , фaзa которого может регулироваться параметрами фазоповоротной схемы 6, а амплитуда - изменением сопротивления резистора 7 (плавно) и коэффициентом К_У 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

где l₃ - длина каркаса обмотки 3 геркона 1; D_CP.3 - средний диаметр обмотки 3; W ₃ - 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 l₃ и l₄ обмоток примерно равны длинам баллонов герконов 1 и 2.

Из приведенных равенств (13), (14), (15), при условии отсутствия регулировочного резистора 7, следует, что предварительно коэффициент К_У усиления можно вычислить по формуле

Рассчитанное по (16) значение округляют до большего стандартного коэффициента К _У усиления по напряжению. Из формулы (16) следует, что К_У усилителя 5 зависит только от параметров обмоток 3 и 4.

Выбрав усилитель по К_У, необходимо найти значение активного сопротивления

r _ВЫХ выходной цепи усилителя 5 с учетом сопротивления r ₇ регулировочного резистора 7 с помощью найденного по (15) значения . Это можно сделать по формуле

Тогда, пренебрегая сопротивлением Z _ПРОВ соединительных проводов, активное сопротивления r ₇ 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

Если расчет выполнен правильно, то в (20) К_ПР 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.

В нормальном режиме работы электроустановки токи нулевой последовательности отсутствуют, и на геркон 1 действует магнитное поле с индукцией В_НБ (напряженностью Н_НБ) 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_ОТС - коэффициент отстройки К_ОТС =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.