RU2374736C1 - Filter of zero-sequence current on magnetic reed switches for electric installation with horizontal current leads - Google Patents

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: filter of zero-sequence current has the first and the second magnetic reed switches, logic part connected to contacts of the first magnetic reed switch, actuating device connected to output of logic part, as well as the first and the second additional windings wound on the first and the second magnetic reed switches respectively, control resistor connected to the first winding, amplifier connected to the second winding, phase-turning scheme the inputs of which are connected to outputs of amplifier, and the outputs of which are connected through control resistor to the first winding. At that, the first and the second magnetic reed switches are connected to the first and the second windings so that centre of gravity of the first one coincides with the point with coordinates h, γ₁=arctg(2h/(3d)) and x₁=d/2, and the second one - to the point with coordinates h, γ₂=-arctg(2h/(3d)), x₂=3d/2, where h - distance in vertical plane from horizontal line passing through centres of gravity of magnetic reed switches to current leads, γ₁ (γ₂) - angle between horizontal line and longitudinal axis of the first (second) magnetic reed switch, x₁ (x₂) - distance from centre of gravity of the first (second) magnetic reed switch to vertical line passing through centre of current lead of phase A, and d -distance between conductors of adjacent phases.

EFFECT: increasing filter sensitivity.

1 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты.The invention relates to electrical engineering, in particular to a relay protection technique.

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.).A known zero-sequence current filter containing a current relay connected to current transformers of an electrical installation, a logical part connected to a current relay, and an executive body connected to a logical part (Fedoseev A.M. Relay protection of electrical systems. - M .: Energy, 1976 . - 560 p.).

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.However, this filter has a significant drawback, since it cannot work without current transformers and in some cases does not have sufficient sensitivity to short circuits to earth.

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).Closest to the proposed technical essence and the achieved effect is a current protection device for electrical installations on reed switches, containing the first, second reed switch, a logical part connected to the contacts of the first reed switch, an executive body connected to the output of the logical part (Kletsel M.Ya., Musin V .V. Choice of the operating current of the maximum current protection without current transformers on the reed switches // Industrial Energy. - 1990. - No. 4. - P.32-36).

Недостатком этого устройства является малая чувствительность к коротким замыканиям на землю в сетях с заземленной нейтралью.The disadvantage of this device is its low sensitivity to short circuits to ground in networks with a grounded neutral.

Технический результат изобретения - повышение чувствительности фильтра тока нулевой последовательности при коротких замыканиях на землю в сетях с заземленной нейтралью.The technical result of the invention is to increase the sensitivity of the zero-sequence current filter during short circuits to ground in networks with a grounded neutral.

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, γ₁=arctg(2h/(3d)) и x₁=d/2, а второго - с точкой с координатами h, γ₂=-arctg(2h/(3d)), x₂=3·d/2, где h - расстояние в вертикальной плоскости от горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов до токопроводов, γ₁ (γ₂) - 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.The technical result of the invention is achieved by the fact that in the zero-sequence current filter containing the first, second reed switch, a logical part connected to the contacts of the first reed switch, an actuator connected to the output of the logical part, according to the invention, the first and second windings wound on the first the second reed switch, respectively, an adjustment resistor connected to the first winding, an amplifier connected to the second winding, a phase-shifting circuit, inputs connected to the outputs of the amplifier, and in moves through the adjusting resistor - to the first winding, the first and second reed switches with the first, second windings are fixed so that the first center of gravity coincides with the point with coordinates h, γ ₁ = arctg (2h / (3d) ) , and x ₁ = d / 2, and the second - with a point with coordinates h, γ ₂ = -arctg (2h / (3d)), x ₂ = 3 · d / 2, where h is the distance in the vertical plane from the horizontal line passing through the centers of gravity of the reed switches to conductors, γ ₁ (γ ₂ ) is the angle between the horizontal line and the longitudinal axis of the first (second) reed switch, x ₁ (x ₂ ) is the distance from the center of gravity of the first (second) reed switch to a vertical line passing through the center of the phase A current conductor, d is the distance between the conductors of adjacent phases.

На чертеже представлена схема фильтра тока нулевой последовательности.The drawing shows a diagram of a zero-sequence current filter.

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.The filter contains reed switches 1 and 2 with normally open contacts and windings 3 and 4, an amplifier 5, a phase-shifting circuit 6, an adjustment resistor 7, a logic part 8, an actuator 9. An amplifier 5 is connected to the reed 4 by windings 4, and outputs to the inputs phase-shifting circuit 6, which outputs, through the adjustment resistor 7, is connected to the winding 3 of the reed switch 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 γ₁ (γ₂) в вертикальной плоскости между линией 13 и продольной осью геркона 1 (2). Расстояние x₁ (x₂) и угол γ₁ (γ₂) 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)The proposed current filter on the reed switches is designed to solve the problem of constructing zero-sequence relay protection devices that use reed switches as measuring current converters. For this, reed switches 1 and 2 are placed in the magnetic field of the conductors 10, 11 and 12 of phases A, B and C, respectively. Their position is determined by: the distance h in the vertical plane from the horizontal line 13, passing through the centers of gravity of the reed switches 1 and 2, to the conductors 10, 11, 12; the distance x ₁ (x ₂ ) from the center of gravity of the reed switch 1 (2) to the vertical line 14 passing through the center of the phase A current conductor; angle γ ₁ (γ ₂ ) in the vertical plane between line 13 and the longitudinal axis of the reed switch 1 (2). The distance x ₁ (x ₂ ) and the angle γ ₁ (γ ₂ ) are chosen so that the magnetic field created by the currents of phases A and B (B and C) acts on the reed switch 1 (2). To implement this, we consider the well-known expression of induction

the magnetic field acting along the longitudinal axis of the reed switch (Kletsel M.Ya., Musin VV On the construction on the reed switches of the protection of high-voltage installations without current transformers // Electrical Engineering. - 1987. - No. 4. - S.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; α₁, α₂, α₃ - углы между продольной осью геркона 1 и В_A, В_B и В_C соответственно; µ₀ - 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:where B _A , B _B and B _C are the inductions of magnetic fields at the installation point of the center of gravity of the reed switch 1 created by the currents of phases A, B and C, respectively; α ₁ , α ₂ , α ₃ are the angles between the longitudinal axis of the reed switch 1 and B _A , _{B B} and B _C, respectively; µ ₀ - magnetic permeability of air; g _A , g _B and g _C - coefficients obtained using elementary geometry and the Bio-Savard-Laplace law to determine the magnetic field induction, are found by the formulas:

Для того чтобы геркон 1 выполнял функции реагирующего элемента фильтра токов нулевой последовательности вдоль его продольной оси, должно действовать магнитное поле с индукциейIn order for the reed switch 1 to act as a reacting element of the zero-sequence current filter along its longitudinal axis, a magnetic field with induction must act

Так какAs

то для выполнения (3) необходимо чтобыthen to fulfill (3) it is necessary that

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 условийWhere

- induction of a magnetic field acting along the longitudinal axis of the reed switch 1, created by the sum of the currents

and

conductors 10, 11;

- induction of a magnetic field created by current

in the winding 3 obtained at the output of the amplifier 5 in the presence of a phase-shifting circuit 6 and an adjustment resistor 7 necessary for regulation

. Formula (5) is obtained from (1) under the following conditions

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 формулеInduction

the magnetic field that is created in the winding 3 of the reed switch 1, the amplitude and phase should be equal to the induction

magnetic field acting along the longitudinal axis of the reed switch 2 and its winding 4 created by currents

and

phases B and C. Induction

determined by the formula

Формула (8) получена из (1) при одновременном выполнении следующих условийFormula (8) is obtained from (1) under the following conditions

Для того чтобы значения индукций, определяемые по формулам (6) и (8), были равны, необходимо, чтобы выполнялось равенствоIn order for the induction values determined by formulas (6) and (8) to be equal, it is necessary that the equality

Для нахождения координат геркона 1 будем рассматривать (7) как совместные уравнения с неизвестными x₁, и γ₁. Из

по (2) получим

, а из

. Откуда, приравнивая выражения в скобках, находимTo find the coordinates of the reed switch 1, we will consider (7) as joint equations with unknowns x ₁ , and γ ₁ . Of

by (2) we get

, and from

. Where, equating the expressions in parentheses, we find

Аналогично для геркона 2, решая (9), из

по (2) получаем

, а из

Откуда находимSimilarly for reed switch 2, solving (9), from

by (2) we obtain

, and from

Where do we find

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, W₄ - количество витков обмотки 4 геркона 2. Ее действующее значение определится какMagnetic flux

is the flux of the magnetic induction vector

across the square

(D _EXT4 - outer diameter of the winding 4) of the cross section of the winding 4 of the reed switch 2, that is

. Magnetic flux

induces in the winding 4 reed switch 2 electromotive force of mutual induction, the instantaneous value of which is determined by the formula

taken from (Burtaev Yu.V., Ovsyannikov P.H. Theoretical Foundations of Electrical Engineering. - M.: Energoatomizdat, 1984. - 552 p .; Bessonov L.A. Theoretical Foundations of Electrical Engineering. - M.: Higher School, 1973. - 752 s.), Where f is the frequency of the industrial current, W ₄ is the number of turns of the winding 4 of the reed switch 2. Its effective value is defined as

сдвинута относительно

на угол π/2. Этот сдвиг позже компенсируется фазоповоротной схемой 6.

усиливается усилителем 5 и создает ток

в обмотке 3 геркона 1,

shifted relative

at an angle π / 2. This shift is later compensated by phase shifting circuit 6.

amplified by amplifier 5 and creates a current

in the winding 3 reed switch 1,

где Z_ВЫХ - сопротивление выходной цепи усилителя 5, состоит из сопротивлений where Z _OUT - the resistance of the output circuit of the amplifier 5, consists of resistances

Z_ОБМ3 - обмотки 3 геркона 1, Z_ПРОВ - соединительных проводов и r₇ - регулировочного резистора 7.Z _OBM3 - winding 3 reed 1, Z _CHECK - connecting wires and r ₇ - 7 of the adjusting resistor.

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 естьIn this case, the current

, the phase of which can be controlled by the parameters of the phase-shifting circuit 6, and the amplitude by changing the resistance of the resistor 7 (smoothly) and the coefficient K _{U of the} gain of the amplifier 5 (roughly), should create a magnetic field in the center on the axis of the winding 3 with induction

determined by the formula (6) (Zaychik M.Yu. Collection of tasks and exercises in theoretical electrical engineering. - M .: Energy, 1973. - 448 p.), that is

где l₃ - длина каркаса обмотки 3 геркона 1; D_CP.3 - средний диаметр обмотки 3; W₃ - 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.where l ₃ - the length of the frame of the winding 3 reed switch 1; D _CP.3 - the average diameter of the winding 3; W ₃ - the number of turns of the reed switch winding 3. The windings 3 and 4 can be wound directly on the reed switches 1 and 2, or round-section windings from standard relays can be used. In the latter case, the inner diameter of the windings 3 and 4 should be slightly larger than the diameter of the reed switch cylinders 1 and 2 so that the reed switches can be fixed inside the windings, and l ₃ and l _{4 of the} windings are approximately equal to the lengths of the reed switch cylinders 1 and 2.

Из приведенных равенств (13), (14), (15), при условии отсутствия регулировочного резистора 7, следует, что предварительно коэффициент К_У усиления можно вычислить по формулеFrom the above equalities (13), (14), (15), provided that there is no adjustment resistor 7, it follows that previously the gain coefficient K _U can be calculated by the formula

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.The value calculated from (16)

round up to a larger standard voltage gain coefficient K _U. From (16) it follows that K _V amplifier 5 depends only on the windings 3 and 4 parameters.

Выбрав усилитель по К_У, необходимо найти значение активного сопротивления By selecting the amplifier _I need to find the value of resistance

r_ВЫХ выходной цепи усилителя 5 с учетом сопротивления r₇ регулировочного резистора 7 с помощью найденного по (15) значения

. Это можно сделать по формулеr _{OUTPUT of the} output circuit of amplifier 5, taking into account the resistance r _{7 of the} adjustment resistor 7 using the value found from (15)

. This can be done by the formula

Тогда, пренебрегая сопротивлением Z_ПРОВ соединительных проводов, активное сопротивления r₇ регулировочного резистора 7 будет равноThen, neglecting the resistance Z of the _{FET of the} connecting wires, the active resistance r _{7 of the} adjustment resistor 7 will be equal to

Фазоповоротная схема 6 должна компенсировать разницу по фазе

и

, рассчитанных по формулам (14) при отсутствии фазоповоротной схемы и (15), то естьPhase rotation circuit 6 should compensate for the phase difference

and

calculated by formulas (14) in the absence of a phase-shifting circuit and (15), i.e.

Если выразить

через

с помощью формул (13), (14) и (15), то получимIf express

across

using formulas (13), (14) and (15), we obtain

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.If the calculation is performed correctly, then in (20) K _PR must be equal to unity. Then induction

magnetic field acting along the longitudinal axis of the reed switch 1 will be equal to

, and the reed switch itself will act as a reacting element of the zero sequence filter.

Фильтр работает следующим образом.The filter works as follows.

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.In the normal operation mode of the electrical installation, zero sequence currents are absent, and reed switch 1 is affected by a magnetic field with induction V _NB (voltage N _NB ) of unbalance, which is due to the inaccuracy of installing the reed switches 1 and 2 in the calculated coordinates and the permissible asymmetry of the current system A, B and C, flowing through current leads. To reed switch 1 does not work in normal mode, its tension

triggering should be greater than the unbalance tension, i.e.

where K _OTS is the offset coefficient K _OTS = 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.In the event of a short circuit to ground, zero sequence currents flow through the electrical conductors. In this case, the operating voltage of the reed switch 1 is less than the intensity of the magnetic field acting on it created by the zero sequence currents, and the reed switch is activated, closing the contacts and supplying a signal through the logical part 8 to the actuator 9.

Таким образом, сигнал на выходе предлагаемого фильтра появится только при повреждениях электроустановки, сопровождающихся токами нулевой последовательности.Thus, the signal at the output of the proposed filter will appear only if the electrical installation is damaged, accompanied by zero sequence currents.

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.When constructing zero-sequence protections based on the proposed filter, the technical and economic efficiency is to reduce the material costs associated with the repair of the electrical installation by turning it off at an earlier stage of damage development due to the high sensitivity of the filter.

Claims (1)

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, γ₁=arctg(2h/(3d)) и x₁=d/2, а второго - с точкой с координатами h, γ₂=-arctg(2h/(3d)), x₂=3·d/2, где h - расстояние в вертикальной плоскости от горизонтальной линии, проходящей через центры тяжести герконов до токопроводов, γ₁ (γ₂) - 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. A zero-sequence current filter containing the first, second reed switch, a logical part connected to the contacts of the first reed switch, an executive body connected to the output of the logical part, characterized in that the first, second windings wound on the first and second reed switches are additionally introduced into its device , an adjustment resistor connected to the first winding, an amplifier connected to the second winding, a phase-shifting circuit, inputs connected to the outputs of the amplifier, and outputs through an adjustment resistor to winding of the first reed switch, and the first and second reed switches with the first, second windings are fixed so that the center of gravity of the first coincides with the point with coordinates h, γ ₁ = arctan (2h / (3d)) and x ₁ = d / 2, and the second - with a point with coordinates h, γ ₂ = -arctg (2h / (3d)), x ₂ = 3 · d / 2, where h is the distance in the vertical plane from the horizontal line passing through the centers of gravity of the reed switches to the conductors, γ ₁ ( γ ₂ ) is the angle between the horizontal line and the longitudinal axis of the first (second) reed switch, x ₁ (x ₂ ) is the distance from the center of gravity of the first (second) reed switch to a vertical line passing through the center of the conductors of phase A, d is the distance between the conductors of adjacent phases.