Способ контроля обрыва фазы в трехфазной сети и устройство для его осуществления

Предлагаемый способ контроля обрыва фазы в трехфазной сети и устройство для его осуществления относится к электротехнике и используется в схемах противоаварийной автоматики электроустановок. Техническим результатом является обеспечение защиты трехфазного оборудования с повышенной надежностью. Способ основан на определении мгновенных значений линейных напряжений как разности мгновенных значений напряжений фаз, измеренных относительно сформированной нейтральной точки. Контролируемое трехфазное напряжение сети снижают, выпрямляют, сглаживают, формируют заданный уровень напряжения. Напряжение нейтральной точки поднимают на заданный уровень относительно общей точки схемы и определяют период напряжений фаз по переходам через заданный уровень. Обрыв фазы определяют по значению коэффициента несимметрии, вычисляемого как отношение действующих значений напряжений обратной и прямой последовательности, с использованием действующих значений линейных напряжений. Способ реализован устройством, содержащим вводы для подключения к источнику напряжения, трехфазный выпрямитель, сглаживающий конденсатор, резисторы, операционные усилители, конденсаторы, АЦП, процессор. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и автоматике, в частности к защитным способам и устройствам, и может быть использовано в электрических схемах релейной защиты и противоаварийной автоматики электроустановок в трехфазных сетях.

Известно устройство [патент RU №2033621, МПК G01R 29/18] автоматического и одновременного контроля правильности чередования, обрыва фаз и уровня напряжения в трехфазных сетях, при этом устройство содержит формирователь, выполненный из трех делителей напряжения, трех выпрямительных мостов, трех потенциометров уставки уровня напряжения и трех оптронных переключателей, три RS-триггера и логический блок.

Недостатками известного устройства является ограниченная надежность в работе, т.к. наличие потенциометров в каждой фазе затрудняет согласованную настройку уставок напряжения, оптронные переключатели имеют значительные технологические разбросы, зависимые от изменения температуры окружающей среды.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ обнаружения обрыва фазы и устройство для его осуществления [патент US №2006186892, МПК G01R 29/16, Н02Н 3/24].

Данный способ обнаружения обрыва фазы заключается в определении мгновенных значений линейных напряжений как разности мгновенных значений напряжений фаз, измеренных относительно сформированной нейтральной точки путем формирования низковольтного аналога контролируемого трехфазного напряжения сети, выпрямления его и сглаживания. Далее вычисляют сдвиг фаз и знак мгновенных линейных напряжений, и при наличии разных знаков двух из трех мгновенных линейных напряжений и сдвига фаз, составляющего 180°, обнаруживают обрыв фазы.

Устройство для осуществления данного способа содержит вводы для подключения к источнику трехфазного напряжения, трехфазный выпрямитель, к выходам которого подключен сглаживающий конденсатор, резисторы, одни выводы которых соединены пофазно с вводами, а другие связаны пофазно с выводами следующих резисторов, другие выводы которых соединены друг с другом и образуют нейтральную точку, операционные усилители, входами соединенные пофазно с общими точками резисторов, а выходами пофазно с входами аналого-цифровых преобразователей (АЦП), соединенных своими выходами с процессором.

Известный способ и реализующее его устройство не определяют обрыва фазы на входе понижающего трансформатора, подключаемого между источником напряжения и устройством. Когда обмотки трансформатора соединены по схеме «звезда - звезда с нулевым проводом» и трансформатор работает на двигательную номинальную нагрузку, или при соединении обмоток по схеме «звезда - зигзаг с нулевым проводом», на выходе понижающего трансформатора возникает несимметрия фаз, приводящая к перегреву двигателей [Гимоян Г.Г., Лейбов P.M. Релейная защита подземного оборудования сетей. М., Недра, 1970, 280 с.]. На фиг.1 приведен график вычисленных линейных напряжений на выходе понижающего трансформатора при обрыве фазы, произошедшем на его входе при вышеуказанных соединениях трансформатора. Из графика видно, что известный прототип не обнаруживает такого обрыва.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - создание способа контроля обрыва фазы в трехфазной сети и устройства для его осуществления с повышенной надежностью защиты трехфазного оборудования за счет выявления обрыва фазы в трехфазной сети как на выходе понижающего трансформатора, так и на его входе.

Технический результат изобретения достигается тем, что в способе контроля обрыва фазы в трехфазной сети, основанном на определении мгновенных значений линейных напряжений как разности мгновенных значений напряжений фаз, измеренных относительно сформированной нейтральной точки, путем формирования низковольтного аналога контролируемого напряжения сети, выпрямления трехфазного напряжения и сглаживания выпрямленного напряжения, причем перед выпрямлением снижают контролируемое трехфазное напряжение сети, формируют заданный уровень сглаженного напряжения, поднимают напряжение нейтральной точки на заданный уровень относительно общей точки схемы и определяют период напряжений фаз по переходам через заданный уровень, определяют обрыв фазы по значению коэффициента несимметрии, вычисляемого как отношение действующих значений напряжений обратной и прямой последовательности, рассчитываемых с использованием действующих значений линейных напряжений, которые определяют по измеренным напряжениям фаз за период.

Технический результат изобретения достигается тем, что в устройстве для осуществления данного способа, содержащем вводы для подключения к источнику трехфазного напряжения, трехфазный выпрямитель, к выходам которого подключен сглаживающий конденсатор, резисторы, одни выводы которых соединены пофазно с вводами для подключения к источнику трехфазного напряжения, а другие связаны пофазно с выводами следующих резисторов, другие выводы которых соединены друг с другом и образуют нейтральную точку, операционные усилители, входами соединенные пофазно с общими точками резисторов, а выходами пофазно с входами АЦП, соединенных своими выходами с процессором, дополнительно введены операционный усилитель, конденсаторы и резисторы, причем операционный усилитель входом подсоединен к общей точке последовательно соединенных резисторов, подключенных к выходам трехфазного выпрямителя, а выходом - с нейтральной точкой, и каждый из вводов для подключения к источнику трехфазного напряжения соединен пофазно с последовательно включенными конденсатором и резистором, где выводы резисторов связаны пофазно с входами трехфазного выпрямителя.

При анализе других известных технических решений заявителем не выявлена совокупность признаков, отличающих заявленное техническое решение от прототипа, приводящая к повышению надежности защиты трехфазного оборудования за счет выявления обрыва фазы в трехфазной сети как на выходе понижающего трансформатора, так и на его входе. Также не выявлено использование для целей контроля обрыва фазы в трехфазной сети такой величины, как коэффициент несимметрии по отношению действующих значений напряжений обратной и прямой последовательности. То есть можно сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен график линейных напряжений при обрыве фазы, произошедшем на входе понижающего трансформатора (прототип), на фиг.2 - электрическая принципиальная схема устройства для контроля обрыва фазы в трехфазной сети, на фиг.3 - график напряжений на входах АЦП при нормальной работе, на фиг.4 - график напряжений на входах АЦП при обрыве фазы, произошедшем на выходе понижающего трансформатора, на фиг.5 - график линейных напряжений при обрыве фазы, произошедшем на выходе понижающего трансформатора, на фиг.6 - график напряжений на входах АЦП при обрыве фазы, произошедшем на входе понижающего трансформатора, на фиг.7 - график линейных напряжений при обрыве фазы, произошедшем на входе понижающего трансформатора.

Способ контроля обрыва фазы в трехфазной сети состоит в том, что перед выпрямлением снижают контролируемое трехфазное напряжение сети, формируют заданный уровень сглаженного напряжения, поднимают напряжение нейтральной точки N на заданный уровень относительно общей точки О схемы и определяют период напряжений фаз по переходам через заданный уровень, по действующим значениям линейных напряжений обратной и прямой последовательности U₂, U₁ оценивается коэффициент их несимметрии K_U2=U₂/U₁. Действующие значения напряжений обратной и прямой последовательности определяются по формулам:

где U_AB, U_BC, U_CA - действующие значения линейных напряжений.

При превышении К_2U порогового значения (0,15<К_2U<0,25) определяют обрыв фазы в трехфазной сети. Такое решение позволяет выявить обрыв фазы в трехфазной сети как на выходе понижающего трансформатора, так и на его входе.

Принципиальная схема устройства контроля обрыва фазы в трехфазной сети представлена на фиг.2, где приняты следующие обозначения: 1 - источник трехфазного напряжения, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 21, 22, 23, 24, 25 - резисторы, 8, 9, 10, 26 - операционные усилители, 11, 12, 13 - АЦП, 14 - процессор, 15 - трехфазный выпрямитель, 16 - сглаживающий конденсатор, 17 - шина соединения АЦП с процессором, 18, 19, 20 - конденсаторы.

Устройство контроля обрыва фазы в трехфазной сети с вводами для подключения к источнику 1 трехфазного напряжения с фазами А, В, С, где к каждому из вводов подсоединены последовательно соединенные резисторы 4 и 7, 3 и 6, 2 и 5. Выводы резисторов 5, 6, 7 соединены друг с другом и образуют нейтральную точку N. Пофазно к общим точкам резисторов 4 и 7, 3 и 6, 2 и 5 подключены входы операционных усилителей 8, 9, 10, выходами соединенных пофазно с входами АЦП 11, 12, 13, выходы которых через шину 17 связаны с процессором 14. К каждому из вводов фаз А, В, С подсоединены последовательно соединенные конденсаторы и резисторы 18 и 21, 19 и 22, 20 и 23, где выводы резисторов 21, 22, 23 подключены к входам трехфазного выпрямителя 15, между положительным и отрицательным выходами которого подключены сглаживающий конденсатор 16, последовательно соединенные резисторы 24, 25. К общей точке резисторов 24 и 25 подсоединен вход операционного усилителя 26, выходом подключенного к нейтральной точке N.

Устройство контроля обрыва фазы в трехфазной сети работает следующим образом. Контролируемое трехфазное напряжение источника 1 подается на вводы устройства. АЦП 11, 12, 13 измеряют напряжение в каждой точке а, b, с соответственно относительно общей точки О схемы (фиг.3). Нейтральная точка N сдвинута на заданный уровень N=2,5 (фиг.3), формирование которого производится резисторами 24, 25 и операционным усилителем 26. Указанное напряжение получается при снижении напряжения в фазах А, В, С конденсаторами 18, 19, 20 и резисторами 21, 22, 23 соответственно и необходимо для определения периода напряжения фаз А, В, С по переходам напряжений в точках а, b, с через заданный уровень. Вторым преимуществом снижения напряжения конденсаторами 18, 19, 20 и резисторами 21, 22, 23 является то, что после его выпрямления получается напряжение Uпит относительно общей точки О схемы, необходимое для питания АЦП 11, 12, 13, центрального процессора 14 и операционных усилителей 8, 9, 10, 26. Центральный процессор 14 измеряет период напряжения фаз А, В, С по переходам через заданный уровень напряжений в точках а, b, с и считывает их мгновенные значения через шины 17, определяет мгновенные значения линейных напряжений U_AB, U_BC, U_CA, коэффициент несимметрии K_2U по отношению действующих значений напряжений обратной и прямой последовательности U₂, U₁ по формулам (1), (2), K_2U=U₂/U₁, вычисленных с использованием действующих значений линейных напряжений U_AB, U_BC, U_CA, которые вычисляются по измеренным мгновенным значениям напряжений в точках а, b, с за период.

При обрыве фазы на выходе понижающего трансформатора, например фазы С, форма напряжений в точках а, b, с примет вид, показанный на фиг.4, а форма вычисленных линейных напряжений показана на фиг.5, а значение коэффициента несимметрии K_2U будет составлять 1, что однозначно больше порогового значения (0,15<K_2U<0,25). Этот факт является достаточным основанием, чтобы достоверно выявить обрыв фазы.

При обрыве фазы на входе понижающего трансформатора, например фазы С, форма напряжений в точках а, b, с примет вид, показанный на фиг.6, а форма вычисленных линейных напряжений показана на фиг.7, а значение коэффициента несимметрии K_2U будет больше порогового значения (0,15<K_2U<0,25). Этот факт также является достаточным основанием, чтобы достоверно выявить обрыв фазы.

Испытания заявленного устройства, реализующего заявленный способ контроля обрыва фазы в трехфазной сети, подтвердили работоспособность, высокую эффективность предложенного способа и высокую надежность защиты трехфазного оборудования при обрыве фазы как на выходе понижающего трансформатора, так и на его входе.

1. Способ контроля обрыва фазы в трехфазной сети, основанный на определении мгновенных значений линейных напряжений как разности мгновенных значений напряжений фаз, измеренных относительно сформированной нейтральной точки, путем формирования низковольтного аналога контролируемого трехфазного напряжения сети, выпрямления его и сглаживания выпрямленного напряжения, отличающийся тем, что перед выпрямлением снижают контролируемое трехфазное напряжение сети, формируют заданный уровень сглаженного напряжения, поднимают напряжение нейтральной точки на заданный уровень относительно общей точки схемы и определяют период напряжений фаз по переходам через заданный уровень, определяют обрыв фазы по значению коэффициента несимметрии, вычисляемого как отношение действующих значений напряжений обратной и прямой последовательности, рассчитываемых с использованием действующих значений линейных напряжений.

2. Способ контроля обрыва фазы в трехфазной сети по п.1, отличающийся тем, что действующие значения линейных напряжений определяют по измеренным напряжениям фаз за период.

3. Устройство для осуществления способа по п.1, содержащее вводы для подключения к источнику трехфазного напряжения, трехфазный выпрямитель, к выходам которого подключен сглаживающий конденсатор, резисторы, одни выводы которых соединены пофазно с вводами для подключения к источнику трехфазного напряжения, а другие связаны пофазно с выводами следующих резисторов, другие выводы которых соединены друг с другом и образуют нейтральную точку, операционные усилители, входами соединенные пофазно с общими точками резисторов, а выходами пофазно с входами АЦП, соединенных своими выходами с процессором, отличающееся тем, что дополнительно введены операционный усилитель, конденсаторы и резисторы, причем операционный усилитель входом подсоединен к общей точке последовательно соединенных резисторов, подключенных к выходам трехфазного выпрямителя, а выходом - с нейтральной точкой, и каждый из вводов для подключения к источнику трехфазного напряжения соединен пофазно с последовательно включенными конденсатором и резистором, где выводы резисторов связаны пофазно с входами трехфазного выпрямителя.