Способ измерения тока короткого замыкания однофазной питающей сети и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приборах для измерения сопротивления петли "фаза-нуль" однофазной питающей сети любого типа при проведении сертификации электроустановок зданий и соответствующих испытаний электрооборудования и электроустановок промышленных и жилых зданий. Технический результат изобретения - повышение точности измерения тока короткого замыкания однофазной питающей сети. Достигается технический результат за счет того, что при таком способе измерения тока короткого замыкания однофазной питающей сети и устройстве для его реализации вначале измеряют период питающей сети, затем замыкают ключ при прохождении синусоидального напряжения через "0", по появлении тока определяют угол сдвига ϕ между напряжением и током, выключают ключ, а в следующие периоды (или полупериоды) ключ замыкают в момент времени t_к= T*ϕ_к/2π, отсчитанный от начала периода (полупериода), на время Δt_к, измеряют ток i_к и выключают ключ, ток короткого замыкания питающей сети рассчитывают по выражению I_к= K*i_к/sin(Δt_к*2π/T). При этом устройство, реализующее данный способ, содержит последовательно включенные ключ и датчик тока, выход которого через АЦП подключен к вычислительному устройству, причем ключ выполнен полностью управляемым, например, на базе IGBT транзистора, драйвер которого через регистр подключен к вычислительному устройству, один из входов которого через формирователь импульсов и элемент оптронной развязки соединен с питающей сетью. Таким образом, при измерении тока короткого замыкания с помощью предлагаемого способа, питающую сеть закорачивают с помощью ключа только дважды: при первом закорачивании определяют угол сдвига ϕ между напряжением и током для последующего исключения свободной составляющей тока короткого замыкания и упрощения расчета фактического значения тока короткого замыкания, а при втором закорачивании - измеряют требуемое значение тока i(t) и выключают ключ при достижении i_к ≥ i_{к доп}, где i_{к доп} - текущее значение измеряемого тока короткого замыкания исходя из заданной точности измерения. 2 с. и 2 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в приборах для измерения сопротивления петли "фаза-нуль" однофазной питающей сети любого типа.

Известен способ измерения сопротивления цепи фаза-нуль, реализованный, например, в приборах типа М417 [1], заключающийся в подключении питающей сети к сопротивлению известной величины, измерении падения напряжения на этом сопротивлении, вычислении падения напряжения в цепи "фаза-нуль" как разности между фазным напряжением и падением напряжения на известном сопротивлении с последующим расчетом тока короткого замыкания питающей сети. Данный способ не позволяет измерять сопротивление петли "фаза-нуль" (или тока короткого замыкания) с достаточной точностью, приборы, работающие на этом принципе, громоздки и неудобны из-за наличия сопротивления большой мощности (до 5 кВт).

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ измерения тока короткого замыкания, реализованный в измерителях напряжения прикосновения и тока короткого замыкания типа ЭК 2000 и в устройствах типа "Сатурн-М1" [2, 3], заключающийся в закорачивании с помощью тиристоров питающей сети на время t < T/4, где T - период питающей сети, с последующим измерением i(t) с помощью АЦП и расчетом тока короткого замыкания по известному выражению для расчета среднего значения тока за заданное время измерения T_и.

Данный способ также не обеспечивает достаточной точности, сложен при реализации, так как закорачивание тиристоров производится на участке T/A, а их выключение - при прохождении напряжения питающей сети через "0" и приложении к включенному тиристору напряжения обратной полярности. При этом производится многократное включение тиристоров с постоянным увеличением 0≅t≅t_доп, где t_доп - время включенного состояния тиристоров, при котором ток в цепи достигает величины, обусловленной точностью измерения.

Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения тока короткого замыкания однофазной питающей сети.

Для получения такого технического результата в предлагаемом способе измерения тока короткого замыкания однофазной питающей сети и устройстве для его реализации вначале измеряют период питающей сети, затем замыкают ключ при прохождении синусоидального напряжения через "0", по появлении тока определяют угол сдвига ϕ между напряжением и током, выключают ключ, а в следующие периоды (или полупериоды) ключ замыкают в момент времени t_к= T·ϕ_к/2·π, отсчитанный от начала периода (полупериода), на время Δt_к, измеряют ток i_к и выключают ключ, ток короткого замыкания питающей сети рассчитывают по выражению I_к= K_i·i_к/sin(Δt_к·2π/T). При этом устройство, реализующее данный способ, содержит последовательно включенные ключ и датчик тока, выход которого через АЦП подключен к вычислительному устройству, причем ключ выполнен полностью управляемым, например, на базе IGBT транзистора, драйвер которого через регистр подключен к вычислительному устройству, один из входов которого через формирователь импульсов и элемент оптронной развязки соединен с питающей сетью.

Таким образом, при измерении тока короткого замыкания с помощью предлагаемого способа, питающую сеть закорачивают с помощью ключа только дважды: при первом закорачивании определяют угол сдвига ϕ_к между напряжением и током для последующего исключения свободной составляющей тока короткого замыкания и упрощения расчета фактического значения тока короткого замыкания, а при втором закорачивании - измеряют требуемое значение i_кt и выключают ключ при достижении i_к≥i_кдоп, где i_кдоп - текущее значение измеряемого тока короткого замыкания исходя из заданной точности измерения.

Сущность заявляемого изобретения поясняется прилагаемыми чертежами: на фиг. 1 приведена структурная схема устройства, на фиг. 2 - диаграммы, поясняющие работу устройства. На фиг. 1 и 2 приняты следующие обозначения: 1 - ключ; 2 - датчик тока; 3 - драйвер; 4 - аналого-цифровой преобразователь; 5 - вычислительное устройство; 6 - регистр; 7 - элемент оптронной развязки, например, трансформатор;
8 - формирователь импульсов при прохождении напряжения питающей сети U через "0";
9 - диод;
10 - узел ограничения напряжения, например, вариатор;
11 - двухполупериодный выпрямитель;
i_к- текущее значение тока короткого замыкания на выходе датчика тока ;
t_к - - момент времени включения ключа;
Δt_к - время включенного состояния ключа;
U₈ - напряжение формирователя импульсов 8.

Устройство работает следующим образом.

При прохождении напряжения U_с через "0" на выходе формирователя импульсов 8 появляются импульсы, показанные на фиг. 2д. Эти импульсы поступают на вход вычислительного устройства 5 и инициализируют его работу - начинается измерение длительности периода T питающей сети U_с: измеряется время между импульсами 1 и 2 путем подсчета количества импульсов n тактового генератора с заданным периодом T_г, где T = n · T_г. В дальнейшем значение T используется при расчете тока короткого замыкания I_к.

Далее при прохождении напряжения U_с через "0" замыкают ключ 1 и контролируют появление тока i_к>0, ключ выключают. Если ток, появился в момент времени t_к, то вычисляют угол сдвига ϕ между напряжением U_с и током i_к, который зависит от характера сопротивления "фаза-нуль" ϕ_к= 2π·t_к/T (см. фиг. 2б). При активно-индуктивном характере сопротивления (что наиболее часто встречается на практике) L=L_с, R=R_с, а Измерив угол ϕ, приступают к измерению тока короткого замыкания i_к: замыкают ключ в момент времени t_к (с углом ϕ ) на время Δt_к. Когда ток достигнет требуемой по условиям точности величины i_кдоп, ключ выключают и вычисляют ток короткого замыкания I_к = K_i · i_кдоп/sin (2π·Δt_к/T), где K_i - масштабный коэффициент.

При активном характере сопротивления "фаза-нуль" (R_с>w_c· L_c) ключ выключает сразу же по появлении тока i_к>0 (фиг. 2в) и вновь включают ключ с углом ϕ = 0, измеряют I_кдоп и вычисляют I_к.

Фиг. 2б и 2в иллюстрируют работу устройства с ключом по схеме фиг. 1б (при w_c · L_c = 0 или малых его значениях). На фиг. 1в показана схема ключа, когда требуется измерять ток в оба полупериода, чтобы исключить намагничивание элементов питающей сети (силового трансформатора). Тем самым повышается точность измерения, а ток короткого замыкания определяется как
I_k = (I_k1 + I_k2)/2 (фиг. 2г).

Предлагаемый способ измерения тока короткого замыкания однофазной питающей сети проще при реализации, обеспечивает возможность производить измерение в "щадящем режиме" для питающей сети, в связи с тем, что все измерение производится только за 2-а закорачивания, позволяет повысить точность измерения, так как включение и выключение ключа производится по заданной программе, а не при приложении обратного напряжения к ключу-тиристору (в известных устройствах, реализующих известные способы).

1. Прибор для измерения сопротивления цепи фаза-нуль М417. Паспорт. Уманское ПО "МЕГОММЕТР", 1984 г.

2. Измеритель напряжения прикосновения и тока короткого замыкания ЭК 2000. Паспорт. Уманское ПО "МЕГОММЕТР", 1993 г.

3. Комплектное испытательное устройство "САТУРН-М1". Техническое описание, инструкция по эксплуатации, паспорт, Москва, 1993 г.

Формула изобретения

1. Способ измерения тока короткого замыкания однофазной питающей сети, заключающийся в том, что с помощью ключа закорачивают питающую сеть и измеряют в этой цепи ток, отличающийся тем, что вначале измеряют период питающей сети Т, затем в момент времени t_i замыкают ключ при прохождении синусоидального напряжения через "0", по появлении тока определяют угол сдвига ϕ_i между напряжением и током, выключают ключ, а в следующие периоды или полупериоды ключ замыкают в момент времени t_k t_к= ϕ_к·T/2·π, отсчитанный от начала периода или полупериода, на время Δt_к, достаточное для нарастания тока до величины, определяемой точностью измерения, измеряют ток i_k и выключают ключ, а ток короткого замыкания питающей сети рассчитывают по выражению
I_к= K_i·i_к/sin(Δt_к·2π/T),
при этом ϕ_i= ϕ_к= ϕ;
K_i - масштабный коэффициент.

2. Устройство измерения тока короткого замыкания однофазной питающей сети, содержащее последовательно включенные ключ и датчик тока, выход которого через АЦП подключен к вычислительному устройству, отличающееся тем, что ключ выполнен полностью управляемым, например, на базе IGBT транзистора, драйвер которого через регистр подключен к вычислительному устройству, один из входов которого через формирователь импульсов и элемент оптронной развязки соединен с питающей сетью.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ключ содержит последовательно соединенные диод и IGBT транзистор, причем анод диода подключен к одному зажиму питающей сети, эмиттер транзистора через датчик тока - к другому зажиму питающей сети, а к последовательно соединенным транзистору и датчику тока параллельно подключен узел ограничения напряжения.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что ключ содержит выпрямитель, к выходу которого параллельно подключен узел ограничения напряжения и последовательно соединенные транзистор и датчик тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2