Спосіб визначення пошкодженої фази в комбінованих електричних мережах з ізольованою нейтраллю

Реферат: Винахід належить до області електробезпеки, зокрема до способів захисту людини від враження електричним струмом в комбінованих електричних мережах з ізольованою нейтраллю із змінною частотою, де застосовується захисне шунтування, тобто штучне автоматичне з'єднання фази, в якій виявлено витік струму, з заземлюючою мережею. Спосіб може знайти застосування, зокрема, в підземних дільничних мережах напругою U≥660 В. Спосіб включає вимірювання миттєвих значень потенціалу нейтралі, обчислення серії проміжних значень його аргументу та зіставлення означеної серії з опорними фазовими інтервалами, при цьому додатково через кожну шосту частину періоду фіксують контрольні точки, яким відповідають моменти переходу через нуль лінійних напруг, вимірюють проміжок часу між двома суміжними контрольними точками і обчислюють уточнене значення частоти, яке використовують для одержання наступних проміжних результатів серії, а при зміні порядку чергування фаз з прямого на зворотний межі опорних фазових інтервалів зміщують на одну шосту періоду в сторону їх випередження, а опорні фазові інтервали відстаючої та випереджуючої фаз міняють місцями. Використання пропонованого способу забезпечує розширення його застосування на комбіновані електричні мережі зі змінною частотою живлення та зміною порядку чергування фаз для реверсу електроприводу. UA 104695 C2 (12) UA 104695 C2 UA 104695 C2 5 10 15 20 Винахід належить до області електробезпеки, зокрема до способів захисту людини від враження електричним струмом в комбінованих електричних мережах з ізольованою нейтраллю із змінною частотою, де застосовується захисне шунтування, тобто штучне автоматичне з'єднання фази, в якій виявлено витік струму, з заземлюючою мережею. Спосіб може знайти застосування, зокрема, в підземних дільничних мережах напругою U≥660 В. Відомий спосіб визначення пошкодженої фази на землю в трифазній мережі з ізольованою нейтраллю [патент РФ № 2150167, МПК Н02Н 3/16, G01R 31/08, опубл. 27.05.2000]. Його суть зводиться до того, що початкова фаза (аргумент) потенціалу нейтралі два рази за кожен період зіставляється з опорним фазовим проміжком, який, по своїй суті, утворює систему відліку для аргументу потенціалу нейтралі. Таким чином, за один період промислової частоти даний спосіб оновлює та забезпечує два результати, причому, ці результати вважаються достовірними, якщо вони збігаються в інтервалі між двома суміжними переходами через нуль потенціалу нейтралі, тобто в межах одного періоду. До основних недоліків наведеного способу можна віднести наступне: недостатня швидкодія, обумовлена тим, що в межах періоду можна одержати лише два проміжних результати; - недостатня надійність прийняття рішення в умовах інтенсивних завад та спотворень з боку мережі від дії вищих гармонік та динамічних складових перехідного процесу. Найбільш близьким аналогом запропонованого винаходу є спосіб визначення пошкодженої фази з витоком струму на землю [Патент UA на КM № 51307, МПК Н02Н 3/16, G01R 31/08 опубл. 12.07.2010], суть якого в наступному: 1. Через фіксовані проміжки часу t, що знаходяться в межах від 0,2 до 0,5 мс, вимірюються миттєві значення потенціалу нейтралі uN(t), uN(t+t), uN(t+2·t) і т. д. 2. Для кожної пари миттєвих значень (метод двох вибірок) обчислюється аргумент (початкова фаза) потенціалу нейтралі  шляхом вирішення рівняння: sin  t    uN t   sin  t  t     uN t  t  . 25 30 35 40 45 50 55 (1) 3. Обчислені значення  надходять з частотою від 2 до 5 кГц і створюють серію, яка, в залежності від інтенсивності завад та спотворень з боку мережі, містить від 5 до 20 проміжних результатів. 4. Пошкоджена фаза визначається співставленням серії проміжних результатів  (або її середнього значення) з опорними фазовими інтервалами, що визначаються виразом (відлік часу починається моментом переходу через нуль лінійної напруги uAB при її зростанні): (2) 1=105°+i·120°±60°, де i=-1,0, 1 визначає опорні інтервали для фаз В, А, С відповідно. Недоліки вказаного способу полягають в наступному. По-перше, його не можна застосувати в мережі, де кутова частота ω змінюється в часі, наприклад в мережі, що живиться від перетворювача частоти. В цьому разі співставлення результатів вирішення рівняння (1) з опорними фазовими інтервалами (2) неможливе. По-друге, при зміні порядку чергування фаз, яке застосовується при реверсі приводів з частотним керуванням, втрачається однозначна відповідність між системою відліку (момент переходу напруги uAB через нуль при зростанні), проміжними значеннями аргументу ці потенціалу нейтралі, обчисленими згідно (1), та опорними інтервалами, обчисленими згідно (2). Задача винаходу, що пропонується, полягає в удосконаленні вказаного способу, в якому за рахунок нових ознак здійснюється автоматичне вимірювання та обчислення поточного значення кутової частоти мережі як при прямому, так і при зворотному порядку чергування фаз, причому, при зміні порядку чергування фаз виконується зміщення опорних фазових інтервалів, що і дозволяє застосовувати спосіб у комбінованих мережах реверсивного електроприводу з частотним керуванням при збереженні швидкодії способу. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що у способі визначення пошкодженої фази в комбінованих електричних мережах з ізольованою нейтраллю, який включає вимірювання миттєвих значень потенціалу нейтралі, обчислення серії проміжних значень його аргументу та зіставлення означеної серії з опорними фазовими інтервалами, згідно винаходу, додатково через кожну шосту частину періоду фіксують контрольні точки, яким відповідають моменти переходу через нуль лінійних напруг, вимірюють проміжок часу між двома суміжними контрольними точками і обчислюють уточнене значення частоти, яке використовують для одержання наступного проміжного результату серії, а при зміні порядку чергування фаз з прямого на зворотній межі опорних фазових інтервалів зміщують на одну шосту періоду в сторону їх випередження, а опорні фазові інтервали відстаючої та випереджуючої фаз міняють місцями. 1 UA 104695 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Вказана корекція полягає в тому, що: 1. За допомогою генератора опорних сигналів (імпульсів) та їх лічильника вимірюється проміжок часу між двома контрольними точками і співставляється з їх кутовим параметром (одна шоста періоду або /3). В результаті нове (скориговане) значення кутової частоти обчислюється з виразу:   fос (3)  3n , де foc - частота опорних сигналів; n - кількість опорних сигналів, зафіксованих між двома суміжними контрольними точками. 2. У випадку зміни порядку чергування фаз нова система відліку приводиться у відповідність з проміжними результатами аргументу потенціалу нейтралі та опорними фазовими інтервалами тим, що межі останніх зміщуються на 60 градусів в сторону їх випередження, а опорні інтервали фаз В і С міняються місцями у відповідності з виразом: (4) i=165°+i·120°±60°, де i=-1, 0, 1 визначає опорні інтервали для фаз С, А, В відповідно. На фіг. 1 приведена структурна схема перетворювача частоти, яка містить первинну мережу f1, випрямляч В, фільтр Ф, інвертор І та вторинну мережу f2, що включає споживачів, кабельні комунікації, пристрої комутації та захисту. Трифазний дільник напруги R1, R2, включений по схемі "зірка", створює штучну нейтраль вторинної мережі О і є джерелом сигналів, пропорційних трьом лінійним напругам (UAB, UBC, UCA), моменти переходу яких через нуль визначають контрольні точки для корекції текучого значення . Крім того, напруга UAB задає систему відліку текучого часу (кута), відносно якого визначаються проміжні значення рішення рівняння (1). Дільник напруги R3, R4, включений між штучною нейтраллю О і землею, є джерелом сигналу uN, пропорційного потенціалу нейтралі. В нормальному режимі вторинної мережі (фіг. 1), всі її складові, включаючи споживачів і кабельні комунікації, симетричні і, отже, потенціал штучної нейтралі О містить тільки гармонічні складові нульової послідовності. Проте струми від останніх в дільнику R3, R4 не замикаються, оскільки всі нейтралі мережі ізольовані. Це означає, що сигнал uN, пропорційний потенціалу нейтралі, що зчитується з дільника напруги, який включений між точкою О та "землею", при нормальному режимі мережі близький до нуля. Збільшення потенціалу штучної нейтралі до величини, що перевищує 10…15 процентів номінальної фазної напруги (для даної частоти f2) свідчить про виникнення суттєвої поперечної несиметрії, причиною якої може бути або пошкодження ізоляції однієї з фаз, або попадання людини під фазну напругу. В цих умовах запропонований спосіб визначення пошкодженої фази функціонує в звичайному режимі (зчитуються миттєві значення потенціалу нейтралі, обчислюються згідно (1) проміжні результати його аргументу, середнє значення яких співставляється з опорними фазовими інтервалами), але при цьому текуче значення вихідної частоти перетворювача безперервно (через кожну шосту частину періоду) коректується згідно виразу (3). Саме це доповнення дозволяє пропонованому способу функціонувати при зміні частоти f2. Суть пропонованого способу демонструється на фіг. 2 та фіг. 3, де приведені хвильові діаграми лінійних напруг uAB, uBC, uСA, та часові діаграми опорних імпульсів. Перша діаграма відповідає частоті вихідної напруги 50 Гц, де проміжок часу між двома контрольними точками (точки 1 і 2 на фіг. 2), що відповідають моментам переходу через нуль напруг uCA і uВC, складає ~ 3,33 мс. В цьому проміжку міститься n опорних імпульсів. Наприклад, при частоті опорних сигналів foс=24 кГц між контрольними точками зафіксовано n=80 опорних сигналів. Відповідно частота мережі: 2  45 Друга діаграма (фіг. 3) відповідає частоті вихідної напруги 12,5 Гц, проміжок часу між контрольними точками 1 і 2 в чотири рази більше, складає ≈ 13,33 мс і при частоті опорних сигналів foc=24 кГц містить 4n=320 опорних імпульсів. Це означає, що при зміні частоти перетворювача кількість опорних імпульсів буде змінена в першу ж шосту частину періоду, а нове значення ω скориговане згідно (3): 2  50   foc   24  10 3  314 f2    50 Гц   314 c 1 2n 2  3n 3  80 ; або .  78,5   foc   10 4 f2    12,5 Гц   78,6 c 1 2n 2  3n 3  320 ; або . На фіг. 4 приведена діаграма опорних фазових інтервалів для прямого чергування фаз, коли фаза В відстаюча, фаза С випереджуюча, а позначення фаз згідно фіг. 1. В цьому разі початок відліку часу визначає вектор напруги UABпp, при зростанні і йому відповідає розташування опорних інтервалів згідно (2), приведене на фіг. 4. 2 UA 104695 C2 5 10 На фіг. 5 приведена та ж діаграма для зворотного чергування фаз коли фаза С відстаюча, фаза В випереджуюча, а початок відліку часу відповідає моменту переходу через нуль лінійної напруги UАВзв при її зростанні. Проте вектор UАВзв по відношенню до вектора UABпp є відстаючим на шосту частину періоду. Це означає, що залежності (1) і (2) в цьому разі можуть бути застосовані, тільки в тому разі, коли, по-перше, межі всіх опорних фазових інтервалів будуть зміщені на одну шосту періоду в сторону їх випередження, а по-друге, опорні фазові інтервали фаз В і С міняються місцями згідно виразу (4). Використання пропонованого способу забезпечує розширення його застосування на комбіновані електричні мережі зі змінною частотою живлення та зміною порядку чергування фаз для реверсу електроприводу. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 20 Спосіб визначення пошкодженої фази в комбінованих електричних мережах з ізольованою нейтраллю, що включає вимірювання миттєвих значень потенціалу нейтралі, обчислення серії проміжних значень його аргументу та зіставлення означеної серії з опорними фазовими інтервалами, який відрізняється тим, що додатково через кожну шосту частину періоду фіксують контрольні точки, яким відповідають моменти переходу через нуль лінійних напруг, вимірюють проміжок часу між двома суміжними контрольними точками і обчислюють уточнене значення частоти, яке використовують для одержання наступних проміжних результатів серії, а при зміні порядку чергування фаз з прямого на зворотний межі опорних фазових інтервалів зміщують на одну шосту періоду в сторону їх випередження, а опорні фазові інтервали відстаючої та випереджуючої фаз міняють місцями. 3 UA 104695 C2 4 UA 104695 C2 Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5