СПОСОБ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ПРОВОДНИКЕ С ПОМОЩЬЮ ЗАМЫКАЮЩЕГО ГЕРКОНА

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.

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_ср в проводнике, возвращался в исходное положение и размыкал контакты при токе I_в, измеряют промежуток времени t₁⁽ⁿ⁾ между моментом t_CP⁽ⁿ⁾ замыкания и моментом t_B⁽ⁿ⁾ 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.

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_ср в проводнике, возвращался в исходное положение и размыкал контакты при токе I_в, измеряют промежуток времени t₁⁽ⁿ⁾ между моментом t_CP⁽ⁿ⁾ замыкания и моментом t_B⁽ⁿ⁾ 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:

а) измеряют премежуток времени t_1,2 между моментами первого и второго размыкания контактов геркона и продолжают измерять промежутки времени между следующими размыканиями контактов геркона до достижения 0,01 с;

б) измеряют промежуток времени t₁⁽ⁿ⁾ между моментом t_CP⁽ⁿ⁾ замыкания и моментом t_B⁽ⁿ⁾ размыкания контактов, фиксируют время момента t_B⁽ⁿ⁾ размыкания контактов геркона и определяют амплитуду переменного тока;

в) определяют промежуток времени t₀₁⁽ⁿ⁾ от момента t_B⁽ⁿ⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀⁽ⁿ⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль:

г) затем определяют время момента перехода синусоиды через ноль t₀⁽ⁿ⁾=t_B⁽ⁿ⁾+t₀₁⁽ⁿ⁾ и запоминают его;

д) определяют длительность полуволны синусоиды переменного тока t_T/2=t₀⁽ⁿ⁾-t₀^(n-1);

е) если t_T/2=0,01 с, то повторяют измерение промежутка времени t₁⁽ⁿ⁺¹⁾ между замыканием и размыканием контактов геркона и действия б), в), г), д);

ж) при других значениях t_T/2, или когда t₁⁽ⁿ⁾≥0,01 с, или t₁⁽ⁿ⁾≥1.2⋅t₁^(n-1), или , измеряют промежуток времени t₁⁽ⁿ⁺¹⁾ между замыканием и размыканием контактов геркона, повторяют действия б), в), г) и определяют длительность периода t_T=t₀⁽ⁿ⁺¹⁾-t₀^(n-1);

з) если t_T=0,02 с, то повторяют измерение промежутка времени t₁⁽ⁿ⁺²⁾ между замыканием и размыканием контактов геркона и действия б), в), г), д);

и) при других значениях t_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.

Устройство работает следующим образом. Геркон устанавливают вблизи проводника, настраивают его так, чтобы он срабатывал и замыкал контакты при токе I_ср в проводнике, возвращался в исходное положение и размыкал контакты при токе I_в. До включения устройства в работу в блок задания 10 (БЗ) вводят данные о токах I_ср срабатывания, I_в возврата геркона 1, его частоту и длительности полуволны и периода. После включения электроустановки и при появлении переменного тока в проводнике измеряют промежуток времени t_1,2 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_B⁽ⁿ⁾, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в первом блоке памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t₁⁽ⁿ⁾ на таймере 3 (Т) сохраняют в первом блоке памяти 5 (П1). Далее в первом вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяют: амплитуду переменного тока

промежуток времени t₀₁⁽ⁿ⁾ от момента t_B⁽ⁿ⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀⁽ⁿ⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль по формуле

время момента перехода синусоиды через ноль t₀⁽ⁿ⁾=t_B⁽ⁿ⁾+t₀₁⁽ⁿ⁾, длительность полуволны синусоиды переменного тока t_T/2=t₀⁽ⁿ⁾-t₀^(n-1). Время момента t₀⁽ⁿ⁾ запоминают во втором блоке памяти 11 (П2), а значение амплитуды переменного тока I_m⁽ⁿ⁾ отображают на дисплее 7 (Д). Длительность полуволны t_T/2 сравнивают в блоке сравнения 8 (БС), и если t_T/2=0,01 с, то повторяют действия, начиная с измерения промежутка времени t₁⁽ⁿ⁺¹⁾ между замыканием и размыканием контактов геркона, так как изменения фазы переменного тока не было. Если t_T/2≠0,01 с или когда t₁⁽ⁿ⁾≥0,01 с, или t₁⁽ⁿ⁾≥1,2⋅t₁^(n-1), или , то предположительно произошло изменение режима и поэтому производят идентификацию следующей полуволны: измеряют промежуток времени t₁⁽ⁿ⁺¹⁾ между срабатыванием и возвратом контактов геркона, фиксируют время момента t_B^(n+l) размыкания контактов геркона, определяют амплитуду переменного тока , промежуток времени t₀₁⁽ⁿ⁺¹⁾ от момента t₀⁽ⁿ⁺¹⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀⁽ⁿ⁺¹⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль и время момента перехода синусоиды через ноль t₀⁽ⁿ⁺¹⁾=t_B⁽ⁿ⁺¹⁾+t₀₁⁽ⁿ⁺¹⁾, определяют длительность периода t_T=t₀⁽ⁿ⁺¹⁾-t₀^(n-1), отображают значение амплитуды тока I_m⁽ⁿ⁺¹⁾ на дисплее 7 (Д). Длительность периода t_T сравнивают в блоке сравнения 8 (БС), если t_T=0,02 с, то изменение сдвига фазы не подтвердилось, и повторяют действия, начиная с измерения промежутка времени t₁⁽ⁿ⁺²⁾ между замыканием и размыканием контактов геркона, если t_T≠0,02 с, то сдвиг фазы подтвердился, и его определяют в вычислительном блоке 9 (ВЧ2) и отображают на дисплее 7 (Д).

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_B⁽ⁿ⁾, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в первом блоке памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t₁⁽ⁿ⁾ на таймере 3 (Т) сохраняли в первом блоке памяти 5 (П1). Далее в первом вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяли: амплитуду переменного тока I_m⁽ⁿ⁾, промежуток времени t₀₁⁽ⁿ⁾ от момента t_B⁽ⁿ⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀⁽ⁿ⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль, время момента перехода синусоиды через ноль t₀⁽ⁿ⁾, длительность полуволны t_T/2 переменного тока. Время момента t₀⁽ⁿ⁾ сохраняли во втором блоке памяти 11 (П2), а значение амплитуды тока I_m⁽ⁿ⁾ отображали на дисплее 7 (Д). В блоке сравнения 8 (БС) t_T/2 сравнивали с заданным значение длительности полуволны. Так как t_T/2=0,01 с, то сдвига фазы переменного тока не было.

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_B⁽ⁿ⁾, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в первом блоке памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t₁⁽ⁿ⁾ на таймере 3 (Т) сохраняли в первом блоке памяти 5 (П1). Так как t₁⁽ⁿ⁾≥0,01 с, то предположительно было изменение сдвига фазы и переходили к идентификации следующей полуволны для подтверждения этого сдвига, измеряли промежуток времени t₁⁽ⁿ⁺¹⁾ между замыканием и размыканием контактов геркона на таймере 3 (Т), фиксировали t_B⁽ⁿ⁺¹⁾, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в первом блоке памяти 5 (П1), определяли амплитуду переменного тока I_m⁽ⁿ⁺¹⁾ в вычислительном блоке 6 (ВБ1), отображали значение амплитуды тока I_m⁽ⁿ⁺¹⁾ на дисплее 7 (Д), определяли промежуток времени t₀₁⁽ⁿ⁺¹⁾ от момента t_B⁽ⁿ⁺¹⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀⁽ⁿ⁺¹⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли момент t₀⁽ⁿ⁺¹⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли длительность периода t_T. В блоке сравнения 8 (БС) t_T сравнивали с заданным значение длительности периода. Так как t_T≠0,02 с, то сдвиг фазы подтвердился и определяли Δϕ во втором вычислительном блоке 9 (ВБ2).

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_B⁽ⁿ⁾, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t₁⁽ⁿ⁾ на таймере 3 (Т) сохраняли в памяти 5 (П1). Далее в вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяли: амплитуду переменного тока I_m⁽ⁿ⁾, промежуток времени t₀₁⁽ⁿ⁾ от момента t_B⁽ⁿ⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀⁽ⁿ⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль, время момента перехода синусоиды через ноль t_Q⁽ⁿ⁾, длительность полуволны t_T/2. Время момента t₀⁽ⁿ⁾ запоминали в блоке памяти 11 (П2), а значение амплитуды тока I_m⁽ⁿ⁾ отображали на дисплее 7 (Д). В блоке сравнения 8 (БС) t_T/2 сравнивали с заданным значение длительности полуволны. Так как t_T/2≠0,01 с, то был сдвиг фазы и переходили к идентификации следующей полуволны для подтверждения этого сдвига. Измеряли промежуток времени t₁⁽ⁿ⁺¹⁾ между замыканием и размыканием контактов геркона на таймере 3 (Т), фиксировали t_B⁽ⁿ⁺¹⁾, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1), определяли амплитуду переменного тока I_m⁽ⁿ⁺¹⁾ в вычислительном блоке 6 (ВБ1), отображали значение амплитуды тока на дисплее 7 (Д), определяли промежуток времени t₀₁⁽ⁿ⁺¹⁾ от момента t_B⁽ⁿ⁺¹⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀^(n+l) перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли момент t₀⁽ⁿ⁺¹⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли длительность периода t_T. В блоке сравнения 8 (БС) t_T сравнивали с заданным значение длительности периода. Так как t_T≠0,02 с, то сдвиг фазы подтвердился и определяли Δϕ во втором вычислительном блоке 9 (ВБ2).

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_B⁽ⁿ⁾, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t₁⁽ⁿ⁾ на таймере 3 (Т) сохраняли в памяти 5 (П1). Далее в вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяли: амплитуду переменного тока I_m⁽ⁿ⁾, промежуток времени t₀₁⁽ⁿ⁾ от момента t_B⁽ⁿ⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀⁽ⁿ⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль, время момента перехода синусоиды через ноль t₀⁽ⁿ⁾, длительность полуволны t_T/2. Время момента t₀⁽ⁿ⁾ запоминали в блоке памяти 11 (П2), а значение амплитуды тока I_m⁽ⁿ⁾ отображали на дисплее 7 (Д). В блоке сравнения 8 (БС) t_T/2 сравнивали с заданным значение длительности полуволны. Так как t_T/2≠0,01 с, то был сдвиг фазы и переходили к идентификации следующей полуволны для подтверждения этого сдвига. Измеряли промежуток времени t₁⁽ⁿ⁺¹⁾ между замыканием и размыканием контактов геркона на таймере 3 (Т), фиксировали t_B^(n+l), запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1), определяли амплитуду переменного тока I_m⁽ⁿ⁺¹⁾ в вычислительном блоке 6 (ВБ1), отображали значение амплитуды тока I_m⁽ⁿ⁺¹⁾ на дисплее 7 (Д), определяли промежуток времени t₀₁⁽ⁿ⁺¹⁾ от момента t_B⁽ⁿ⁺¹⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀⁽ⁿ⁺¹⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли момент t_Q^(n+l) перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли длительность периода t_T. В блоке сравнения 8 (БС) t_T сравнивали с заданным значение длительности периода. Так как t_T≠0,02 с, то сдвиг фазы подтвердился и определяли Δϕ во втором вычислительном блоке 9 (ВБ2).

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_B⁽ⁿ⁾, запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1). Измеренный промежуток времени t₁⁽ⁿ⁾ 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 t₁^(n+l) между замыканием и размыканием контактов геркона на таймере 3 (Т), фиксировали t_B^(n+l), запоминая время этого момента на часах 4 (Ч) в памяти 5 (П1), определяли амплитуду переменного тока I_m⁽ⁿ⁺¹⁾ в вычислительном блоке 6 (ВБ1), отображали значение амплитуды тока I_m⁽ⁿ⁺¹⁾ на дисплее 7 (Д), определяли промежуток времени t₀₁^(n+l) от момента t_B⁽ⁿ⁺¹⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀⁽ⁿ⁺¹⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли момент t₀⁽ⁿ⁺¹⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль, определяли длительность периода t_T. В блоке сравнения 8 (БС) t_T сравнивали с заданным значение длительности периода. Так как t_T≠0,02 с, то сдвиг фазы подтвердился и определяли Δϕ во втором вычислительном блоке 9 (ВБ2).

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_B⁽ⁿ⁾, запоминают в памяти 5 (П1) его время на часах 13:05:01,007155. Время на таймере 3 (Т) сохраняют в памяти 5 (П1), как t₁⁽ⁿ⁾=0,007 с. В первом вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяют амплитуду тока:

Затем в первом вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяют промежуток времени от момента t_B⁽ⁿ⁾ размыкания контактов геркона до момента t₀⁽ⁿ⁾ перехода синусоиды переменного тока через ноль:

Потом в первом вычислительном блоке 6 (ВЧ1) определяют время момента перехода синусоиды через ноль

t_Q⁽ⁿ⁾=13:05:01,007155+0,00106=13:05:01,008215

и длительность полуволны, используя время момента предыдущего перехода синусоиды через ноль t₀^(n-1)=13:05:01,998215

t_T/2=t₀⁽ⁿ⁾-t₀^(n-1)=13:05:01,008215-13:05:00,998215=0,01 с.

Значение тока I_m⁽ⁿ⁾ отображают на дисплее 7 (Д). В блоке сравнения 8 (БС) сравнивают длительность полуволны с 0,01 с, так как t_T/2=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.