Фильтр-реле тока симметричных составляющих

 

Сущность изобретения: фильтр-реле содержит фазовращающую цепь 1 и исполнительный орган 2. Фазовращающаю цепь 1 содержит фазовые звенья 3 и 4. Величина фазового сдвига входного напряжения, создаваемого фазовым звеном 3, превышает величину фазового сдвига входного напряжения, создаваемого звеном 4, на 60° в полосе частот. Вследствие этого изменения частоты электрического тока, а также резкие изменения величины тока, питающего защищаемую машину, не вызывает ложных срабатываний фильтра-реле. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите от нессимметричных режимов.

Известно устройство контроля и защиты электродвигателей от неполнофазных режимов и витковых замыканий. Устройство содержит блок измерения асимметрии напряжений, блок измерения асимметрии токов, блок измерения температуры обмоток, блоки сравнения, блок управления.

Недостатком устройства является его сложность, низкая чувствительность.

В частности, для реализации рассматриваемого устройства необходимо установка технических средств измерения температуры обмоток, что требует нарушения целостности корпуса электрической машины. Увязка работы всех блоков зависит от многих факторов и должна производиться для каждого электродвигателя индивидуально. Вследствие изложенного, применение указанного устройства может быть оправдано на больших дорогостоящих двигателях, при наличии квалифицированного обслуживающего персонала. Кроме этого устройство имеет низкую чувствительность, т.к. обнаруживает грубые проявления несимметрии - неполнофазные режимы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство РТФ-6 на основе фильтра обратной последовательности тока.

Указанное устройство содержит фазовращающую цепь, входные цепи, которой подключены к вторичным обмоткам двух трансформаторов тока, включенных первичными обмотками в два провода трехфазной электрической силовой сети, подведенной к защищаемой электрической машине, а выход упомянутой фазовращающей цепи подключен к исполнительному органу. С целью уменьшения влияния частоты электрической силовой сети на работу фильтра, реактивное сопротивление фазовращающей цепи образовано последовательным соединением конденсатора и индуктивности. Конденсатор включен в цепь при помощи трансформатора таким образом, что его реактивное сопротивление складывается с реактивным сопротивлением индуктивности. Поскольку сопротивление переменному току конденсатора обратно пропорционально частоте, а индуктивности прямо пропорционально, в определенной полосе частот достигается компенсация изменения величины реактивного сопротивления, а следовательно и величины фазового сдвига от частоты. Учитывая, что допускаемые современными нормами ухода частоты электрической силовой сети составляют величину порядка - 0,1 Гц, фильтр РТФ-6 сохраняет работоспособность при возможных изменениях частоты сети.

Вместе с тем при работе электрической машины возможны резкие изменения потребляемых и генерируемых токов. В этих условиях возможны ложные срабатывания фильтр-реле при полной симметрии токов. Ложные срабатывания фильтр-реле объясняются его низким быстродействием. Признано, что для известных типов фильтров обратной последовательности токов и напряжений невозможно добиться быстродействия при сохранении работоспособности в полосе частот.

В этой связи фильтр-реле РТФ-6 нашел применение только для защиты мощных генераторов переменного тока.

Для защиты же электродвигателей, в особенности с быстро изменяющейся на валу нагрузкой, фильтр РТФ-6 непригоден.

Целью изобретения является повышение быстродействия.

На фиг. 1 приведена электрическая схема конкретной реализации фильтра; на фиг.2 - векторные диаграммы токов и напряжений его работы.

Фильтр-реле симметричных составляющих обратной и нулевой последовательностей тока содержит фазовращающую цепь 1 и исполнительный орган 2. Фазовращающая цепь 1 образована фазовыми звеньями 3, 4 широкополюсной фазоразностной цепи. Причем входные зажимы 5, 6 фазового звена 3 подключены к силовой линии через трансформатор тока 7, а входные зажимы 8, 9 фазового звена 4 подключены к силовой линии через трансформатор тока 10. Выходы фазовых звеньев объединены и подключены к исполнительному органу 2. Первичные обмотки трансформаторов тока 7, 10 включены в провода трехфазной сети 11, подведенной к электрической машине 12. К вторичным обмоткам трансформаторов подключены, например, амперметры 13, 14 или другие низкоомные приборы. В конкретной реализации фазовое звено 3 содержит резисторы 15, 16, 17, 18, конденсаторы 19, 20, операционный усилитель 21. Фазовое звено 4 отличается от фазового звена 3 номиналами резисторов и конденсаторов. Резисторы 22, 23, 24 объединяют фазовые звенья 3, 4 в единый шестиполюсник.

Устройство работает следующим образом.

В исходном состоянии при исправной электрической машине 12, номинальном значении частоты электрического тока (50 Гц), все три тока в проводах линии 11 равны между собой по величине и угол сдвига между токами в проводах линии составляет 120^о (фиг.2, 2б).

Проходя по проводам линии, эти токи образуют на амперметрах 13, 14, включенных во вторичные обмотки трансформаторов тока 7, 10 соответствующие значения падения напряжения.

Падение напряжения с зажимов амперметра 13 подается на вход 5, 6 фазового звена 3 и с зажимом амперметра 14 на входы 8, 9 фазового звена 4 фазовращающей цепи 1. Резисторы 17, 18 фазового звена 3 определяют амплитуду выходного напряжения, а резистивно-емкостная цепочка 15, 16, 19, 20 определяет фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного. Для частоты 50 Гц (см. фиг.2в, г) фазовый сдвиг выходного напряжения относительно входного для звена 3 составляет 210,2^о. Для тех же условий фазовый сдвиг напряжения относительно входного применительно к звену 4 составляет 150,2^о, а разность же величин сдвигов фаз звеньев составляет 60^о.

Для систем токов прямой последовательности (см. фиг.2а).

Напряжение на входе звена 3 опережает по фазе напряжение на входе звена 4 на 120^о. Поскольку звено 3 поворачивает фазу входного напряжения на угол на 60^о, превышающий величину поворота фазы звеном 4, на выходах звеньев 3 и 4 для системы токов прямой последовательности будут равные по величине сдвинуты одно относительно другого на 180^о напряжения (см. фиг.2в), на входе исполнительного органа будет нулевое напряжение и он будет находиться в спокойном состоянии.

Для системы токов обратной последовательности (фиг.2б) напряжение на входе звена 3 отстает по фазе от напряжения на входе звена 4 на 120^о. Поскольку звено 3 поворачивает фазу входного напряжения на угол 60^о, превышающий величину поворота фазы звена 4, на выходах звеньев 3 и 4 будут равные по величине, сдвинутые одно относительно другого на 60^о напряжениях (фиг. 2г). Геометрическая сумма этих напряжений переводит исполнительный орган в рабочее состояние.

Для системы токов нулевой последовательности (фиг.2ж) на входах звеньев 3 и 4 будут равные по величине сил фазные напряжения. Поскольку звено 3 поворачивает фазу входного напряжения на угол 60^о превышающий величину поворота фаз звена 4, на выходах звеньев 3, 4 будут равные по величине, сдвинутые между собой на 60^о напряжения. Геометрическая сумма этих напряжений переводит исполнительный орган в рабочее состояние.

Предположим, произошло изменение нагрузки на валу, что вызвало изменение значения токов в линии 11. Предположим, это изменение достаточно резкое и в линии 11 появились токи с частотой 60 Гц. Напряжение такой частоты звено 3 вращает на 224,4^о (для конкретной реализации), а звено 4 на 164,4^о, т. е. звено 3 поворачивает фазу входного напряжения на угол на 60^о, превышающий величину поворота входного напряжения звена 4. При этой частоте для системы токов прямой последовательности (см. фиг.2д) исполнительный орган будет оставаться в спокойном состоянии, а для системы токов обратной последовательности переведен в рабочее состояние.

Изменение нагрузки на валу двигателя может сопровождаться появлением токов частотой как выше, так и ниже номинальной. В этой связи обеспечивается поворот фазы звеном 3 входного напряжения на угол на 60^о превышающий величину поворота фазы от звена 4 на частотах как выше, так и ниже номинальной.

Для конкретной реализации фильтра это условие соблюдается в диапазоне частот 25-80 Гц, чем обеспечивается практическая безынерционность фильтра-реле.

В этой связи величины сопротивлений и емкостей 16, 18, 19, 20 (фиг.1) выбраны таким образом, что обеспечивается превышение величины поворота фазы входного напряжения, создаваемого звеном 3 на 60^о по сравнению с величиной поворота фазы, создаваемого звеном 4 на частотах как выше, так и ниже номинальной.

Зависимость величин сдвига фаз, создаваемых звеньями 3 и 4 для конкретной реализации приведена в таблице.

Формула изобретения

ФИЛЬТР-РЕЛЕ ТОКА СИММЕТРИЧНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ, содержащий последовательно включенные фазовращающий блок и исполнительный орган, каждый из двух входов фазовращающего блока предназначен для подключения к выходу соответствующего датчика тока разноименных фаз, отличающийся тем, что, с целью повышения быстродействия, фазовращающий блок выполнен в виде фазовых звеньев широкополосной фазоразностной цепи, входами фазовращающего блока являются входы фазовых звеньев, объединенные выходы которых - выходами фазовращающего блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3