СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОКА КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ

Изобретение относится к энергетике, а именно к измерительной технике, и может быть использовано для измерения токов короткого замыкания в электроустановках.

Известен способ измерения тока короткого замыкания [Хомерике O.K. Полупроводниковые преобразователи магнитного поля. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - С. 7-19] путем фиксации напряжения на выходе датчика Холла, установленного вблизи проводника. По напряжению определяют величину магнитной индукции, создавшей его, а по последней - величину тока в проводнике.

Однако величина контролируемого напряжения незначительна и зависит от температуры окружающей среды, что требует дополнительного усиления сигнала и компенсации температурных погрешностей. В конечном итоге это ведет к снижению точности измерения тока.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения тока короткого замыкания [KZ 21350 A4, МПК G01R 19/30 (2006.01), опубл. 15.06.2009], при котором фиксируют время t₁ между моментами замыкания и размыкания контактов первого геркона, время t_{1, 2} между замыканием контактов первого и второго герконов и время t₃ между моментами замыкания и размыкания контактов второго геркона. Первый и второй герконы располагают в магнитном поле проводника так, чтобы они замыкали контакты при соответствующих токах срабатывания I_СР1 и I_СР2 в проводнике и размыкали контакты при токах возврата I_В1 и I_В2. Второй геркон настраивают так, чтобы он срабатывал при токах срабатывания I_СP2>I_CP1 и возвращался при токах возврата I_B2>I_B1. Составляют уравнения для I_CP1, I_СР2, I_B1 и I_В2 по формуле:

где I_m - амплитуда периодической составляющей измеряемого тока;

t - время в любой момент времени;

φ_Η - электрический угол, отсчитываемый с момента наступления короткого замыкания до момента перехода через ноль периодической составляющей измеряемого тока короткого замыкания;

i_ma - начальное значение апериодической составляющей измеряемого тока;

ω - угловая частота тока;

Т_а - постоянная времени,

используя t₁, t_{1, 2}, t₃. Находят амплитуду периодической составляющей измеряемого тока I_m и начальное значение апериодической составляющей измеряемого тока i_ma из системы четырех составленных уравнений. По указанной формуле определяют полный ток короткого замыкания I_пол в любой момент времени.

Недостатком этого способа является низкое быстродействие релейной защиты, так для определения тока короткого замыкания нужно время 10 мс.

Задачей изобретения является повышение быстродействия релейной защиты.

Это достигается тем, что способ измерения тока короткого замыкания, так же как и в прототипе, заключается в том, что фиксируют время t_{1, 2} между замыканием контактов первого и второго герконов, которые расположены в магнитном поле проводника так, чтобы они замыкали контакты при соответствующих токах срабатывания I_CP1, I_СР2 в проводнике, второй геркон настраивают так, чтобы он срабатывал при токах срабатывания I_СP2>I_CP1, составляют уравнения для I_CP1, I_СР2, используя t_{1, 2}, и определяют амплитуду полного тока короткого замыкания по формуле:

где I_m - амплитуда периодической составляющей измеряемого тока;

t - время в любой момент времени;

φ_Η - электрический угол, отсчитываемый с момента наступления короткого замыкания до момента перехода через ноль периодической составляющей измеряемого тока короткого замыкания;

i_ma - начальное значение апериодической составляющей измеряемого тока;

ω - угловая частота тока;

Т_а - постоянная времени.

Согласно изобретению четыре геркона устанавливают на безопасных расстояниях h₁, h₂, h₃, h₄ от проводника. Угол между перпендикулярной линией продольной оси проводника и продольной осью первого геркона, второго, третьего и четвертого герконов составляет 90°. Настраивают герконы так, чтобы они срабатывали при токах срабатывания I_СP4>I_CP3>I_CP2. Дополнительно измеряют время между замыканием второго и третьего геркона, третьего и четвертого геркона и определяют амплитуду периодической составляющей измеряемого тока I_m и начальное значение апериодической составляющей измеряемого тока i_ma из выражения:

где t_{1, 2} - время между замыканием контактов первого и второго герконов;

t_{2, 3} - время между замыканием контактов второго и третьего герконов;

t_{3, 4} - время между замыканием контактов третьего и четвертого герконов;

t_H - время до замыкания контактов первого геркона;

I_CP1 - ток срабатывания первого геркона;

I_СР2 - ток срабатывания второго геркона;

I_СР3 - ток срабатывания третьего геркона;

I_СР4 - ток срабатывания четвертого геркона,

используя которые определяют амплитуду полного тока короткого замыкания I_пол.

Измерение времени между срабатыванием второго и третьего, третьего и четвертого герконов позволяет определить амплитуду тока короткого замыкания за 5 мс, так как срабатывания всех герконов происходит в первую половину полупериода переменного тока. Таким образом, по сравнению с прототипом, повышено быстродействие релейной защиты.

На фиг. 1 показано устройство для реализации предлагаемого способа.

На фиг. 2 представлены зависимости I=f(t), где кривая 1 - полный ток короткого замыкания I_пол, кривая 2 - номинальный ток I_ном, кривая 3 - ток апериодической составляющей I_апер, кривая 4 - ток периодической составляющей I_пер.

Предложенный способ измерения тока короткого замыкания может быть реализован с помощью устройства, в котором первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 герконы (фиг. 1) с нормально разомкнутыми контактами размещены в магнитном поле проводника 5 с током и подключены к микроконтроллеру 6 (МК).

Могут быть использованы герконы типа МКА-14103 группы А производителя ОАО "Рязанского завода металлокерамических приборов". Микроконтроллер 6 (МК) может быть выполнен на микроконтроллере серии 51 производителя atmel AT89S53.

Способ осуществляют следующим образом.

Первый 1, второй 2, третий 3 и четвертый 4 герконы с нормально разомкнутыми контактами устанавливают вблизи проводника 5 на безопасном расстоянии. Расстояние от проводника 5 до первого 1 геркона h₁=0,1 м, расстояние от проводника 5 до второго 2 геркона h₂=0,13 м, расстояние от проводника 5 до третьего 3 геркона h₃=0,16 м, расстояние от проводника 5 до четвертого 4 геркона h₄=0,19 м. Угол между перпендикулярной линией продольной оси проводника 5 и продольной осью первого геркона 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 герконов составляет 90°. Герконы подобраны так, чтобы токи срабатывания I_CP1, I_СР2, I_CP3, I_CP4 первого 1, второго 2, третьего 3 и четвертого 4 герконов соответствовали неравенствам:

I_СР1<I_СР2<I_CP3<I_СР4.

В проводнике 5 протекает ток короткого замыкания. При увеличении тока до тока срабатывания I_СР1=33,9 А первого 1 геркона (фиг. 2, кривая 1) замыкаются разомкнутые до этого контакты. Это происходит под действием созданного током I_СР1 срабатывания магнитного поля напряженностью срабатывания в зазоре между контактами первого 1 геркона, направленной вдоль его продольной оси. Второй 2 геркон замыкает контакты при токе срабатывания I_CP2=60,4 А. Третий 3 геркон замыкает контакты при токе срабатывания I_СР3=98,8 А. Четвертый 4 геркон замыкает контакты при токе срабатывания I_СР4=176,0 А.

При увеличении тока в проводнике 5 до величины тока срабатывания I_СР1 (фиг. 2, кривая 2) первый геркон 1 срабатывает, его контакты замыкаются, микроконтроллер 6 (МК) фиксирует значение тока и начинает отчет времени t_{1, 2} между замыканием контактов первого и второго герконов. Если ток не увеличился до I_CP2, тo второй геркон 2 не срабатывает и микроконтроллер 6 (МК) обнуляет все значения.

Но если в проводнике 5 ток увеличивается до тока срабатывания I_СР2, то срабатывает второй геркон 2 (фиг. 2, кривая 1). Микроконтроллер 6 (МК) фиксирует срабатывание второго 2 геркона, время между замыканием первого и второго герконов t_{1, 2}=1 мс и начинает отчет времени t_{2, 3} между замыканием второго и третьего герконов. Когда ток в проводнике 5 увеличивается до тока срабатывания I_CP3, то срабатывает третий геркон 3 (фиг. 2, кривая 1). Микроконтроллер 6 (МК) фиксирует срабатывание третьего 3 геркона, промежуток времени между замыканием второго и третьего герконов

t_{2, 3}=0,8 мс и начинает отчет времени t_{3, 4} между замыканием третьего и четвертого герконов. Далее ток в проводнике 5 увеличивается до тока срабатывания I_СР4, срабатывает четвертый геркон 4 (фиг. 2, кривая 1), и фиксируется время между замыканием третьего и четвертого герконов t_3,4=1,2 мс.

В микроконтроллере 6 (МК) вычисляют значения I_m, t_H, φ_Η по формулам разложения тока короткого замыкания на апериодическую (фиг. 2, кривая 3) и периодическую составляющие (фиг. 2, кривая 4) [Ульянов С.А. Электромагнитные переходные процессы. - Москва, 1970 г. - С. 58-65.]:

где I_m - амплитуда периодической составляющей измеряемого тока;

t_H - время до замыкания контактов первого геркона;

φ_Η - электрический угол, отсчитываемый с момента наступления короткого замыкания до момента перехода через ноль периодической составляющей измеряемого тока;

i_ma - начальное значение апериодической составляющей измеряемого тока,

Т_а - постоянная времени.

Затем определяют полный ток короткого замыкания I_пол для любого момента времени по формуле:

Расчет ведется следующим образом, в выражении (2) второе уравнение делят на первое; раскладывают на

- представлено в виде , при этом сокращается и уравнение принимает вид:

Раскрывают скобки, аргументы, содержащие амплитуду периодической составляющей измеряемого тока I_m, переносят в правую часть уравнения, а - в левую. В правой части уравнения (4) аргумент выносят за скобку:

Для третьего и четвертого уравнений системы (2) выполняют аналогичные (4)-(5) операции. В результате получают:

Далее делят уравнение (6) на (5), I_m·sin(ωt_Η-φ_Η) сокращают, определяют ctg(ωt_k-ω_Η):

и находят:

Затем определяют амплитуду периодической составляющей измеряемого тока I_m:

Находят значение мгновенной величины периодической составляющей тока I_М в точке Μ (фиг. 2):

и мгновенное значение величины апериодической составляющей тока i_N в точке N:

Чтобы найти начальное значение i_ma апериодической составляющей измеряемого тока в уравнении (10) в момент перехода через ноль периодической составляющей измеряемого тока I_m, принимают φ_Η=0, тогда ωt_H=φ₁ и φ₁=arcsin(I_M/I_m), которые подставляют в формулу (11) и определяют:

Принимая данное значение амплитудой апериодического составляющий при переходе полного тока короткого замыкания через ноль при φ_Η=0, строят кривую апериодической составляющей измеряемого тока (фиг. 2, кривая 3).

По полученным данным строят кривую полного тока короткого замыкания I_пол (фиг. 2, кривая 1) в любой момент времени по формуле:

Амплитуда полного тока короткого замыкания полученная с использованием предложенного способа I_Мпол=435 А при заданном значении I′_Мпол=412 А. Таким образом, погрешность определения составила