Устройство реле направления мощности нулевой последовательности

(51) 02 3/38 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ Технический результат изобретения - повышение чувствительности реле направления мощности к несимметричным коротким замыканиям. В предлагаемом устройстве дополнительно введены первый, второй усилители, первый, второй блоки согласования, конденсатор и трансформатор,а герконы с обмотками закреплены в магнитном поле токопроводов защищаемой электроустановки так, что их центры тяжести совпадают с точкой с рассчитанными координатами. Технико-экономическая эффективность заключается в экономии материальных ресурсов, а именно, меди и проката черных металлов,необходимых для производства трансформаторов тока, с помощью которых получают информацию о защищаемом объекте.(73) Республиканское государственное казенное предприятие Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) УСТРОЙСТВО РЕЛЕ НАПРАВЛЕНИЯ МОЩНОСТИ НУЛЕВОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для определения направления мощности в защитах линий. 22070 Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для определения направления мощности в защитах линий. Известно устройство реле направления мощности, устанавливаемое со стороны питания,имеющего обмотки,подключенные к трансформатору тока и напряжения контролируемой электроустановки ( Федосеев. Релейная защита электрических систем. - М. Энергия, 1976. - с.560). Однако,трансформаторы тока являются дорогими и металлоемкими устройствами,насыщаются в переходных режимах, что ведет к несрабатыванию или задержке в срабатывании реле. Наиболее близким к предлагаемому, по технической сущности и достигаемому эффекту,является устройство реле направления мощности,содержащее первый и второй элементы ПАМЯТЬ,элемент ИЛИ, выходом подключенный к входу второго элемента ПАМЯТЬ, первый и второй элементы ВРЕМЯ, выходами подключенные к первому и второму входу элемента ИЛИ,соответственно, первый и второй элементы И с двумя входами, один из которых инверсный,выпрямитель, первый геркон с одной обмоткой,второй и третий герконы с управляющей обмоткой и обмоткой подмагничивания каждый (А.с. 1686580 Н 02 Н 3/38 23.10.91, Бюл.39). Недостатком этого устройства является малая чувствительность к несимметричным коротким замыканиям. Технический результат изобретения - повышение чувствительности реле направления мощности к несимметричным коротким замыканиям. Технический результат достигается тем, что в устройство реле направления мощности нулевой последовательности, содержащее первый и второй элементы ПАМЯТЬ, элемент ИЛИ, выходом подключенный к входу второго элемента ПАМЯТЬ,первый и второй элементы ВРЕМЯ, выходами подключенные к первому и второму входу элемента ИЛИ, соответственно, первый и второй элементы И с двумя входами, один из которых инверсный,выпрямитель, первый геркон с одной обмоткой,второй и третий герконы с управляющей обмоткой и обмоткой подмагничивания каждый дополнительно введены первый, второй усилители, первый, второй блоки согласования, конденсатор и трансформатор,причем обмотка первого геркона подключена к входу первого усилителя, выход первого усилителя к входам выпрямителя и через последовательно соединенный конденсатор - к первой вторичной обмотке трансформатора, выход выпрямителя - к входу первого блока согласования и к встречно включенным обмоткам подмагничивания второго и третьего герконов,выход первого блока согласования - к питанию второго усилителя, вход второго блока согласования - к напряжению обратной последовательности, которое можно получить на выходе фильтра обратной последовательности,подключенного к трансформатору напряжения, выход второго блока согласования - к входу второго усилителя, выход второго усилителя - к второй вторичной обмотке 2 трансформатора, первичная обмотка трансформатора - к согласно включенным управляющим обмоткам второго и третьего герконов, контакты первого геркона - к входу первого элемента ПАМЯТЬ, выход первого элемента ПАМЯТЬ - к питанию первого усилителя и к прямым входам первого и второго элементов И, контакты второго геркона -к инверсному входу первого элемента И,контакты третьего геркона - к инверсному входу второго элемента И, выход первого элемента И - к входу первого элемента ВРЕМЯ, выход второго элемента И - к входу второго элемента ВРЕМЯ, а герконы с обмотками закреплены так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами 1,155,2 и,6342)/1,22),второго и третьего - с точкой с координатами 1,155, х 0 и 1,43 0,42)/2), гдерасстояние в вертикальной плоскости от горизонтали, проходящей через центры тяжести герконов до токопроводов фаз А, В и С,- угол между горизонталью и продольной осью геркона, х расстояние от центра тяжести геркона до вертикали,проходящей через центр токопровода фазы ,расстояние между проводниками соседних фаз. На фиг. 1 представлена схема устройства реле направления мощности обратной последовательности. Устройство содержит геркон 1 с обмоткой 2 герконы 3 и 4 с обмотками подмагничивания 5, 6 и управляющими обмотками 7, 8 соответственно элементы ПАМЯТЬ 9,10 усилители 11, 12 выпрямитель 13 блоки 14,15 согласования конденсатор 16 трансформатор 17 с коэффициентом трансформации ТР 1 элементы И 18, 19 с двумя входами, один из которых инверсный, элементы ВРЕМЯ 20, 21 элемент ИЛИ 22. Герконы 1, 3, 4 установлены в магнитном поле токопроводов фаз контролируемой электроустановки. Обмотка 2 геркона 1 подключена в входу усилителя 11, выход усилителя 11 подключен к входу выпрямителя 73 и через последовательно соединенный конденсатор 16 - к первой вторичной обмотке трансформатора 17, выход выпрямителя 13- к входу блока 14 согласования и к встречно соединенным обмоткам 5, 6 подмагничивания герконов 3, 4, выход блока 14 согласования - к клеммам питания усилителя 12, вход блока 15 согласования к напряжению обратной последовательности, которое можно получить на выходе фильтра обратной последовательности,подключенного к трансформатору напряжения,выход блока 15 согласования - к входу усилителя 12, выход усилителя 12 - к второй вторичной обмотке трансформатора 17, первичная обмотка трансформатора 17 - к согласно включенным управляющим обмоткам 7, 8 герконов 3, 4, контакты геркона 1 через элемент ПАМЯТЬ 9 - к клеммам питания усилителя 11, контакты герконов 3, 4 - к инверсным входам элементов И 18, 19, выход элемента ПАМЯТЬ 9 - к прямым входам элементов И 18, 19, выходы элементов И 18, 19 - к входам элементов ВРЕМЯ 20, 21 соответственно, выхода элементов ВРЕМЯ 20, 21 - к первому и второму 22070 входу элемента ИЛИ 22, выход элемента ИЛИ 22 - к входу элемента ПАМЯТЬ 10. Предлагаемое реле направления мощности предназначено для решения задачи построения устройств релейных направленных защит обратной последовательности,которые в качестве преобразователей тока использует герконы. Для этого герконы 1, 3, 4 располагают в магнитном поле токопроводов фаз А, В и С соответственно. Их положение определяется расстояниемв вертикальной плоскости от горизонтали,проходящей через центры тяжести всех герконов, до токопроводов фаз А, В и С расстоянием х 1 (х 3,4) от центра тяжести геркона 1 (3, 4) до вертикали,проходящей через центр токопровода фазы А (на фиг. 1 герконы 3, 4 для наглядности показаны рядом, на самом деле геркон 3 находится за герконом 4 на том же расстоянии х 3,40 от где 0 - магнитная проницаемостьи- коэффициенты, полученные элементарной геометрии и закона Лапласа для определения индукции поля, находятся по формулам Но, так как вдоль продольных осей герконов 3, 4 действуют магнитные поля, созданные не только токами фаз А, В, С, протекающими по токопроводам, но и током их обмоток, то для выполнения (5) необходимо, чтобыПР то на эти герконы магнитное поле нулевой последовательности,созданное токами контролируемых фаз, не будет действовать. Для геркона / такими условиями будут Г Г Г Г 10 , 41 и 10 , 6 С 1 . (4) Тогда для того, чтобы герконы 3, 4 реагировали только на токи обратной последовательности вдоль их продольных осей должно действовать магнитное поле с индукцией рассмотрим известное выражение индукции ВПР ,магнитного поля, действующего вдоль продольной оси геркона Известно из (Бессонов Л. А. Теоретические основы электротехники. - М. Высш. школа, 1973.с.752),что составляющие токов нулевой последовательности образованы тремя векторами,совпадающими по фазе вертикали) углом 1 ( 3,4) между горизонталью,проходящей через центры тяжести всех герконов и продольной осью геркона 1 (3,4). Расстояние х 1 (х 3,4) и угол 1 ( 3,4) выбираются так, чтобы на геркон 1(3,4) действовало магнитное поле, созданное токами фаз А, В и С, не содержащее составляющих нулевой последовательности. Для реализации этого гдеТОК - индукция магнитного поля,действующего вдоль продольных осей герконов 3 и 4, созданного суммой токовА, - 0,4 магнитного поля, созданного токомУ 11 в обмотках 7, 8, полученным на выходе усилителя 11 ОБМ 5 , ОБМ 6 поля, ВЫХ созданного выпрямленным токомУ 11 в обмотках 5, 6. Сдвиг фазы на 46,83 согласно (8) токУ 11 в обмотках 5, 6 необходим для того, чтобы различать полярность полуволн промышленной частоты. При этом постоянный ток должен создавать магнитное поле с индукциейОБМ 5 , ОБМ 6 ПРВ НОМЗАП В ВОЗ , (9) где ОТС и ЗАП - коэффициенты отстройки и запаса ВНОМ и ВВОЗ - индукции магнитных полей,действующих вдоль пластин герконов 3, 4,созданных амплитудным значением номинального тока НМ нагрузки токопровода, вблизи которого они расположены, и током, при котором герконы возвращаются в исходное положение. 22070 При выполнении условия (9) геркон 3 будет отпадать, то есть размыкать контакты в отрицательную полуволну переменного тока, а геркон 4 в положительную. Так с помощьюВЫХ постоянного выпрямленного тока У 11 герконы фиксируют полярность тока. Формула (7) получается из (1) при выполнении Г Г Г 13 , Г 4 В ПР /1 ,ПР - индукция магнитного поля,действующего вдоль продольной оси геркона 1 и его определяется по формуле (1) 0,909 взято из (Правила устройства электроустановок. Санкт-Петербург Деан,2002.928 с) Аналогично для геркона 1 решая (4), при х 1 2,то есть центр тяжести геркона 1 расположен под токопроводом фазы С, получим 11, 62 / 1, 21,155,Для нахождения координат герконов 3, 4 будем рассматривать (3) как совместные уравнения с неизвестными х 3,4 и З,4, откуда, при 3,40, то есть центр тяжести герконов 3, 4 расположен под токопроводом фазы А, получим где- частота промышленного тока,количество витков обмотки 2,- площадь поперечного сечения обмотки 2. Угол /2 в формуле (13) также компенсируется, часть которого выпрямляется выпрямителем 13 и подается в обмотки 5, 6, а часть сдвигается конденсатором 16 и через трансформатор 17 подается в обмотки 7, 8 ВЫХ(14)ПРЕ К У /ВЫХ , где- сопротивление выходной цепи усилителя 77, состоит из сопротивлений обмоток 5,6, входного сопротивления блока 14 согласования и соединенными параллельно с ними сопротивлениями обмоток 7, 8.ВЫХ При этом токПР поле в центре наОБМ 7 , ОБМ 8 должен создать магнитное оси обмоток 7, 8 с(8). То есть токУ 11, который необходимо подать в обмотки 7, 8 можно найти по формуле взятой из (Зайчик М. Ю. Сборник задач и упражнений по теоретической электротехнике. -М. Энергия, 1973. - 448 с), где 7,8 - длина каркаса обмоток 7, 8 .7,8 - средний диаметр обмоток 7, 8 7,8 - количество витков обмоток 7. 8. Из (13)-(15) выразим коэффициент Ку усиления усилителя 11 2 ЫХ/1.(16) Блок 14 согласования реализует функцию ВЫХ У 12 У 11 ПР ПИТ (17) гдеУ 12 - напряжение питания усилителя 12,ПИТ ПР - коэффициент пропорциональности. Блок 14 согласования введен для того, чтобы не уменьшался ток в обмотках 7, 8 герконов 3, 4, при коротких замыканиях в токопроводе, когда происходит глубокое снижение напряжения. Блок 15 согласования реализует функцию 2 - напряжение обратной последовательности ВХ на входе блока 15, У 12 - ток, подаваемый на вход усилителя 12,пропорциональности. где у - коэффициент усиления усилителя 12. ВЫХ через трансформатор 17 подается вУ 12 обмотки 7, 8 герконов 5, 4. В итоге вдоль продольной оси герконов 3 и 4 происходит геометрическое суммирование магнитных полей от тока и напряжения обратной последовательности. Устройство работает следующим образом. 22070 При несимметричном коротком замыкании в защищаемой электроустановке ток обратной последовательности 2, направленный от шин в токопровод, создает магнитное поле и наводит в обмотке 2 геркона 1 электродвижущую силу Е . Е усиливается усилителем 11 и в свою очередь создает ВЫХ ток У 12 подмагничивания в обмотках 5, 6 герконов 3, 4. Из формул (10), (13), (14) видно, что чем выше ток короткого замыкания в токопроводе, тем больше ВЫХ У 12 в обмотках 5, 6. Такая зависимость введена для того, чтобы время отпадания герконов 3, 4 не зависело от величины тока короткого замыкания, и чтобы это время можно было использовать для сравнения заданных областей совпадения или несовпадения фаз тока и напряжения. В рассматриваемом режиме угол сдвига между током 2 и напряжением 2 обратной последовательности стремиться к нулю. Поэтому суммарное магнитное поле от 2 и тока в обмотках 7 и 5, пропорционального 2, оказывается больше,чем магнитное поле от тока в обмотках 5 и 6,поэтому геркон 3 будет отпадать в отрицательную полуволну мощности, а геркон 4 - в положительную. При поочередном отпадании герконов 3, 4 появляются сигналы на выходе элементов И 18, 19. Через граничное время, устанавливаемое на элементах ВРЕМЯ 20, 21, сигналы поочередно поступают на входа элемента ИЛИ 22. С выхода элемента ИЛИ 22 сигнал запоминается элементом ПАМЯТЬ 10 я реле срабатывает. Граничное время, устанавливаемое на элементах ВРЕМЯ 20, 21 учитывает погрешности в установке герконов относительно токопровода и возможность появления сигнала на прямых входах элементов И 18, 19 раньше, чем исчезнет сигнал с инверсных входов этих же элементов. При несимметричном коротком замыкании в других присоединениях, отходящих от шин подстанции, ток 2 направлен от токопровода к шинам, поэтому угол сдвига между током 2 и напряжением 2 стремиться к 180. Суммарное магнитное поле от 2 и тока в обмотках 7 и 8, пропорционального 2, оказывается меньше,чем магнитное поле от тока в обмотках 5 и 6,поэтому герконы 3 и 4 сработают под действием последнего и останутся в сработанном состоянии. При этом на инверсный вход элементов И 18, 19 подается сигнал с контактов герконов 3 и 4, поэтому сигналы на выходе этих элементов отсутствуют и реле не срабатывает. Технико-экономическая эффективность заключается в экономии материальных ресурсов, а именно, меди и проката черных металлов,необходимых для производства трансформаторов тока, с помощью которых получают информацию о защищаемом объекте. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Устройство для реле направления мощности нулевой последовательности, содержащее первый и второй элементы ПАМЯТЬ, элемент ИЛИ, выходом подключенный к входу второго элемента ПАМЯТЬ,первый и второй элементы ВРЕМЯ, выходами подключенные к первому и второму входу элемента ИЛИ, соответственно, первый и второй элементы И с двумя входами, один из которых инверсный,выпрямитель, первый геркон с одной обмоткой,второй и третий герконы с управляющей обмоткой и обмоткой подмагничивания каждый,отличающееся тем, что дополнительно введены первый, второй усилители, первый, второй блоки согласования, конденсатор и трансформатор,причем, обмотка первого геркона подключена к входу первого усилителя, выход первого усилителя к входам выпрямителя и через последовательно соединенный конденсатор - к первой вторичной обмотке трансформатора, выход выпрямителя - к входу первого блока согласования и к встречно включенным обмоткам подмагничивания второго и третьего герконов,выход первого блока согласования - к питанию второго усилителя, вход второго блока согласования - к напряжению обратной последовательности, которое можно получить на выходе фильтра обратной последовательности,подключенного к трансформатору напряжения, выход второго блока согласования - к входу второго усилителя, выход второго усилителя - к второй вторичной обмотке трансформатора,первичная обмотка трансформатора - к согласно включенным управляющим обмоткам второго и третьего герконов, контакты первого геркона - к входу первого элемента ПАМЯТЬ, выход первого элемента ПАМЯТЬ - к питанию первого усилителя и к прямым входам первого и второго элементов И,контакты второго геркона - к инверсному входу первого элемента И, контакты третьего геркона - к инверсному входу второго элемента Я, выход первого элемента И - к входу первого элемента ВРЕМЯ, выход второго элемента И к входу второго элемента ВРЕМЯ, а герконы с обмотками закреплены так, что центр тяжести первого совпадает с точкой с координатами ,155, 2 и у,6 4 )/,2 ), второго и третьего - с точкой с координатами -,155, х 0 и у 30,42)/2), где- расстояние в вертикальной плоскости от горизонтали, проходящей через центры тяжести герконов до токопроводов фаз А, В и С, у - угол между горизонталью и продольной осью геркона, х - расстояние от центра тяжести геркона до вертикали, проходящей через центр токопровода фазы ,-расстояние между проводниками соседних фаз.