Устройство расцепителя с воссозданием фазы и автоматический выключатель, содержащий такое устройство расцепителя

1 Область техники, к которой относится изобретение Это изобретение относится к устройству расцепителя с воссозданием фазы, содержащему по меньшей мере, два датчика, расположенных на проводах питания, которые должны быть защищены, и блок обработки, содержащий средство для обработки сигналов тока, присоединенное к датчикам, средство для воссоздания фазы, принимающее сигналы, представляющие сигналы тока, подаваемые датчиками, и средство для обработки функций расцепления, присоединенное к средству обработки токовых сигналов и к средству для воссоздания. Изобретение также относится к автоматическому выключателю,содержащему такое устройство расцепителя. Уровень техники Устройство расцепителя с воссозданием фазы обычно содержит два датчика, расположенные на двух фазовых проводах сети, и воссоздает сигнал, представляющий третью фазу,когда система электропитания является трехфазной системой. Каждый датчик может также охватывать два провода питания, так что измерение тока будет представлять собой сумму двух фазовых токов. Эти типы устройств расцепителя описаны, в частности, в патентах США 5.777.835 и 5.815.357. Для воссоздания фазы, которая не измеряется, средство дискретизации подает выборки токового сигнала с постоянными интервалами. Средство обработки, содержащее микропроцессор, затем вычисляет сигнал недостающей фазы точка за точкой. В этом режиме обработки вычисление недостающей фазы может оказаться недостаточно точным. Датчики тока, такие как магнитные трансформаторы тока, фактически дают нелинейные выходные сигналы. Нелинейность выходных сигналов происходит, в частности, из-за насыщения магнитопроводов при больших токах. Таким образом, по мере того, как токи в проводах электропитания возрастают, воссоздание точки за точкой становится неточным. Сущность изобретения Целью изобретения является создание электронного устройства расцепителя с воссозданием фазы, позволяющего достичь точного воссоздания в широком диапазоне измерений. В устройстве расцепителя согласно этому изобретению средство для воссоздания фазы содержит первые средства определения сигналов, представляющих амплитуды токовых сигналов, подаваемых двумя датчиками, вторые средства определения сигнала, представляющего сдвиг фаз между сигналами, представляющими сигналы, подаваемые двумя датчиками, и третьи средства определения, присоединенные к первому и второму средствам определения, для определения сигнала, представляющего ток фа 002889 2 зы, воссоздаваемый согласно сигналам, представляющим амплитуды, и сигналу, представляющему фазовый сдвиг сигналов, подаваемых двумя датчиками. В предпочтительном варианте воплощения вторые средства определения содержат средства для вычисления косинуса угла сдвига фазы между сигналами, представляющими сигналы,подаваемые двумя датчиками. Вторые средства определения предпочтительно содержат средства для определения моментов времени, когда сигналы, подаваемые датчиками тока, проходят через нулевое значение в предопределенном направлении, причем упомянутые моменты времени являются первым моментом времени, когда первый сигнал проходит через ноль, вторым моментом времени, когда второй сигнал проходит через ноль, и третьим моментом времени, когда первый сигнал снова проходит через ноль, при этом сигнал,представляющий фазовый сдвиг, существенно пропорционален отношению интервала времени между первым и вторым моментами времени к интервалу времени между первым и третьим моментами времени, соответствующему периоду первого сигнала. В предпочтительном варианте воплощения третьи средства определения содержат первое средство для вычисления сигнала произведения,чтобы вычислить произведение сигналов, представляющих амплитуды, и сигнала, представляющего фазовый сдвиг. Третьи средства определения предпочтительно содержат второе средство для вычисления сигнала суммы квадратов сигналов амплитуд и сигнала произведения. Устройство расцепителя предпочтительно содержит средство для определения тока нулевой последовательности чередования фаз, содержащее датчик тока, расположенный на всех проводах электропитания. В предпочтительном варианте воплощения средство для воссоздания использует сигнал,подаваемый третьим средством определения,когда, по меньшей мере, один из токовых сигналов, подаваемых двумя датчиками, превосходит первый предварительно установленный порог. Каждый датчик тока предпочтительно охватывает два провода питания. В четырехполюсном варианте воплощения устройство расцепителя содержит, по меньшей мере, три датчика, расположенные на проводах питания, которые должны быть защищены, причем первые средства определения определяют сигналы, представляющие амплитуды сигналов тока, подаваемые датчиками, а третье средство определения, присоединенное к первому и второму средствам определения, определяет сигнал, представляющий фазовый ток, воссозданный согласно сигналам, представляющим амплитуды, сигналу, представляющему фазовый 3 сдвиг сигналов, подаваемых двумя датчиками, и сигналу, подаваемому третьим датчиком. Автоматический выключатель согласно варианту воплощения этого изобретения содержит, по меньшей мере, три контакта, соединенные последовательно с проводами питания, и устройство расцепителя, обладающее вышеописанными свойствами. Краткое описание чертежей Другие преимущества и особенности станут более понятны из последующего описания конкретных воплощений этого изобретения,данных только в неограничивающих примерах и представленных в сопровождающих чертежах,где фиг. 1 представляет схему устройства расцепителя с воссозданием известного типа; фиг. 2 представляет схему устройства расцепителя с воссозданием согласно варианту воплощения этого изобретения; фиг. 3 иллюстрирует сигналы от двух датчиков тока и режим детектирования сдвига фазы; фиг. 4 показывает кривую расцепления устройства расцепителя согласно варианту воплощения этого изобретения, имеющую, по меньшей мере, две зоны воссоздания; фиг. 5 показывает блок-схему работы устройства расцепителя с воссозданием фазы согласно варианту воплощения этого изобретения; фиг. 6 и 7 показывают другие варианты воплощения устройств расцепителя согласно этому изобретению для автоматических выключателей, содержащих четыре полюса. Подробное описание предпочтительных вариантов воплощения Электронное устройство расцепителя по фиг. 1 содержит блок обработки 1, присоединенный к двум датчикам тока 2 и 3, чтобы принимать сигналы Is1 и Is3, представляющие токиIp1, Ip2 и Iр 3, протекающие в проводах 36, которые должны быть защищены. Сигналы Is1 и Is3 подаются на вход схемы обработки токовых сигналов 4. Схема обработки 4 подает к схеме обработки функции расцепления 5 сигналы, представляющие токи, измеренные и обработанные схемой 4. Схема воссоздания 6, присоединенная к схемам обработки 4 и 5, принимает сигналы,представляющие собой измеренные токи, и подает сигнал, представляющий собой воссозданную фазу. Таким образом, в устройстве по фиг. 1 схема обработки 5 принимает сигналы, представляющие собой токи трех фаз, протекающие в проводах, которые должны быть защищены. Схема обработки 5 выполняет функции расцепления и подает сигнал расцепления к реле 7, когда токовые сигналы, которые приняты,превосходят пороги в течение предварительно установленных интервалов времени. Функциями расцепления являются функции особо длительной задержки, короткой задержки и мгно 002889 4 венного расцепления. Реле затем выдает команду разъединения контактов 8 через механизм разъединения. Датчики тока 2 или 3 обычно содержат магнитопровод, который дает повышение нелинейности выходного сигнала. Например, трансформатор тока подвергается насыщению, когда ток, протекающий в проводе первичной обмотки 36, возрастает. В этом случае воссоздание от точки к точке при каждом замере тока может дать ошибочный сигнал воссоздания фазы. Устройство расцепителя согласно одному воплощению этого изобретения усовершенствует средство воссоздания, которое предотвращает или ограничивает ошибки воссоздания, когда сигналы тока искажаются. Фиг. 2 показывает устройство расцепителя согласно одному воплощению этого изобретения. Датчики 2 и 3 каждый расположен на проводе первичной обмотки питания 36, чтобы измерить на этой схеме ток фазы 1 и ток фазы 3. Эти датчики 2 и 3, в частности, являются трансформаторами тока,вторичные обмотки которых подают ток, который протекает в измерительном сопротивлении 9 и 10 соответственно. Сигналы Is1 и Is3, представляющие токиIp1 и Iр 3, подаются к схеме обработки 4, которая определяет, например, действующие (среднеквадратичные) значения I1 и I3 упомянутых сигналов тока. В воплощении по фиг. 2 схема воссоздания принимает сигналы Is1 и Is3 и выдает воссозданный сигнал I2. Сигналы Is1 и Is3 подаются к модулям 11 и 12, которые определяют сигналы амплитуды Iа 1 и Iа 3, представляющие сигналы Is1 и Is3 соответственно. Например, сигналы Iа 1 и Iа 3 могут быть детектированы одним из пиковых детекторов. Выходные сигналы от датчиков, таких как трансформаторы тока, более линейны и менее чувствительны к искажениям, чем выходные сигналы в мгновенных значениях или действующих значениях. В других воплощениях этого изобретения значения амплитуд Iа 1 и Iа 3 также могут быть определены из действующих значений I1 и I3,подаваемых схемой 4, например, путем извлечения квадратного корня из упомянутых величин. Возможно также определить Iа 1 и Iа 3 путем выполнения фильтрации или преобразования Фурье сигналов Is1 и Is3. Сигналы Iа 1 и Iа 3 подаются к модулям 13 и 14, которые определяют квадраты Iа 1 и Iа 3 сигналов амплитуд Iа 1 и Iа 3. Схема воссоздания 6 сравнивает принимаемые модулем 15 сигналы, представляющие сигналы Is1 и Is3, чтобы определить сигнал F согласно сдвигу фазы между упомянутыми сигналами Is1 и Is3. Предпочтительно модуль 15 определяет сигнал сдвига фазы между сигналами Is1 и Is3 и затем определяет косинус угла сигнала сдвига 5 фазы. Величина косинуса может быть умножена на коэффициент 2. Сигналы амплитуд Ia1, Ia3 и сигнал F подаются к модулю 16, который получает произведение упомянутых сигналов. Модуль 16 подает сигнал Р, представляющий произведение сигналов амплитуд Ia1 и Ia3 и сигнала F. Затем суммирующий модуль 17 получает сумму квадратов сигналов амплитуд Ia1 и Ia3 и сигнала произведения Р. Модуль 17 таким образом подает сигнал Iа 22, представляющий из себя амплитуду воссозданной фазы, возведенную во вторую степень. Сигнал Iа 22 подается к модулю 18, который вычисляет корень квадратный Iа 2 от упомянутого сигнала Iа 22. Затем модуль 19 определяет действующее значение I2 воссозданного сигнала, представляющее ток Iр 2 воссозданной фазы. Сигналы I1, I3, выданные схемой 4, и воссозданный сигнал I2 подаются к схеме обработки функции расцепления 5. Следующие уравнения представляют сигналы, определенные схемой воссоздания в конкретном воплощении этого изобретения, представленной на фиг. 2. Уравнение (1) представляет сигнал F,зависящий от сигнала сдвига фазы. Уравнение (2) представляет сигнал Р,представляющий собой произведение сигналовIa12, Ia33 и F. Уравнение (3) представляет сигнал Ia22,воссоздающий квадраты амплитуды воссозданного фазного тока. Уравнение (4) представляет сигнал Ia2 амплитуды воссозданного тока фазы. Уравнение (5) представляет сигнал I2,представляющий собой действующее значение тока воссозданной фазы. Устройство детектирования тока нулевой последовательности чередования фаз 20 делает предпочтительно возможным проверить, равна ли примерно нулю векторная сумма первичных токов Ip1, и Iр 2, и Iр 3. Если, в воплощении по фиг. 2, ток Iр 2 течет в цепи без возврата черезIp1 или Iр 3, он фактически не будет воссоздан. Схема детектирования 20, присоединенная к датчику тока нулевой последовательности чередования фаз 21, поэтому позволяет достичь защиты электрических цепей, даже если один ток, протекающий в фазе, не измерен. Устройство 20 может дать команду непосредственно реле 7, когда сигнал, представляющий ток нулевой последовательности чередования фаз, превосходит предварительно установ 002889 6 ленный порог. Возможно также вставить устройство 20 в специальное устройство для функций расцепления защиты с помощью заземления или нулевой последовательности чередования фаз. Фиг. 3 показывает сигналы Is1 и Is3 и режим детектирования фазового сдвига между упомянутыми сигналами. Например, в момент времени t1 сигнал Is1 становится выше нуля и возрастает. Затем, в момент времени t2, сигналIs3 становится выше нуля и возрастает. Затем, в момент времени t3, сигнал Is1 снова становится выше нуля и возрастает. В устройстве расцепителя согласно одному варианту воплощения этого изобретения период сигнала фазы определяется детектированием времени, прошедшего между моментами времени t1 и t3 (t3-t1), и сигнал фазового сдвига S определяется вычислением отношения интервала времени, прошедшего между моментами времени t1 и t2 (t2-t1), и периода (t3-t1). Сигнал фазового сдвига S может быть представлен уравнением (6) следующим образом: В этом случае сигнал S может принять значение между 0 и 1, представляющее фазовый сдвиг между 0 и 360, или между 0 и 2 радиан. Чтобы улучшить характеристики устройства расцепителя, устройство воссоздания может работать разными способами согласно токам от датчиков. Например, воссоздание обычным способом вверх до первого уровня тока в датчиках может действовать согласно одному воплощению этого изобретения между первым уровнем тока и вторым уровнем тока, затем действовать в режиме мгновенного расцепления без воссоздания, когда ток превосходит второй уровень тока или порог мгновенного расцепления. Устройство расцепителя согласно одному варианту воплощения этого изобретения может действовать согласно зонам, показанным на кривой расцепления, представленной на фиг. 4. Например, в первой зоне 22 ниже первого порога S1 устройство расцепителя действует согласно первому режиму воссоздания. Во второй зоне 23, выше первого порога и ниже второго порога S2, устройство расцепителя действует согласно режиму воссоздания, как показано на фиг. 2, и выше порога S2 устройство расцепителя действует без воссоздания в зоне 24. Например, первый порог S1 может быть примерно в пять раз выше номинального тока In устройства расцепителя, а второй порог S2 может быть в десять раз выше номинального токаIn. Фиг. 5 показывает блок-схему работы устройства расцепителя с воссозданием фазы согласно одному варианту воплощения этого изобретения. 7 На этапе 25 устройство расцепителя определяет амплитуды Iа 1 и Iа 3 измеренных токов. Затем на этапе 26 измеренные токи сравниваются с порогом S1, чтобы определить режим воссоздания. Если порог S1 превзойден, воссоздание выполняется согласно режиму воссоздания,который использует амплитуды измеренных токов. Проходящий через ноль и возрастающий ток Is1 детектируется в момент времени t1 на этапе 27. Затем проходящий через ноль и возрастающий сигнал тока Is2 детектируется в момент времени t2 на этапе 28. На этапе 29 вычисляется интервал времени t2-t1, чтобы определить фазовый сдвиг. На этапе 30 снова проходящий через ноль и возрастающий сигнал Is1 детектируется в момент времени t3. Этот момент времени t3 также может рассматриваться как новый момент времени t1(n+1) для вычисления фазового сдвига в следующем цикле. Вычисление периода сигнала Is1 (t3-t1) выполняется на этапе 31. Этап 32 позволяет записать момент времени t3 как момент времениt1, используемый в вычислении следующего цикла. На этапе 33 вычисляется сигнал F,представляющий фазовый сдвиг. Затем, на этапе 34, вычисляется воссозданный сигнал I2, например, согласно вычислению, представленному равенством (5). Функции расцепления обрабатываются на этапе 35 с использованием токовых сигналов I1,I2 и I3. Фиг. 6 и 7 показывают другие варианты воплощения устройства расцепителя согласно этому изобретению для автоматического выключателя, содержащего четыре полюса. На этих фигурах четыре полюса - это, например,три фазы и нейтральный провод. Таким образом, на фиг. 6 и 7 датчик тока 37 подает к схеме обработки 4 сигнал Isn, представляющий ток первичной обмотки нейтрали Ipn. В этом случае схема воссоздания 6 также принимает сигнал,представляющий сигнал Isn, а схема обработки 5 принимает сигнал In, представляющий ток нейтрали, обработанный схемой 4. В этих вариантах воплощения схема воссоздания 6 подает сигнал I2, воссозданный согласно сигналам Is1, Is3 и Isn. Схема 6 предпочтительно воссоздает величину сигнала I2 в два шага. На первом шаге определяется промежуточная величина 10 согласно сигналам амплитуды Iа 1 и Iа 3 и сигналу фазового сдвига 3,соs(3) или F(3) между сигналами Is1 и Is3. Например, сигнал амплитуды Iа 0 промежуточного сигнала 10 предпочтительно определяется по уравнению (4). 8 Уравнение (7) представляет сигнал Iа 0 амплитуды воссозданного промежуточного сигнала. Фазовый сдвиг 0 сигнала Iа 0 может быть определен согласно уравнению 8, 9 или 10. На втором шаге определяются амплитудное значение Iа 2 и/или действующее значение I2 сигнала воссозданной фазы согласно промежуточному сигналу амплитуды Iа 0, зависящему отIa1, Ia3, и сигналу нейтрали Ian, представляющему амплитуду сигнала Isn, и сигналу фазового сдвига 0 соs(0), или F(0) между сигналамиIs0 и Isn. Определение сигнала I2 или Iа 2 предпочтительно выполняется согласно тому же способу, как способ, определенный уравнениями 3, 4, 5 и 7. Таким образом, даже в воплощении для четырехполюсного автоматического выключателя величина I2 воссоздается согласно амплитудам Is1 и Is3, дающим 10, и фазовому сдвигу 0, зависящему от фазового сдвига между сигналами Is1 и Is3, причем сигнал Isn используется на дополнительном этапе. Все схемы и модули, описанные в вышеприведенных воплощениях, могут быть сгруппированы на одной схеме и вставлены в автоматический выключатель. Эти схемы могут быть выполнены в аналоговых и/или цифровых формах. Все функции могут быть реализованы аппаратурно или запрограммированы в микропроцессоре или микроконтроллере. Датчики 2 и 3, каждый, могут охватывать один или два провода для измерения тока первичной обмотки. Когда датчики охватывают два провода, электропитание устройства расцепителя датчиками тока может быть выполнено во всех конфигурациях. Устройство расцепителя может получать питание от датчиков тока 2 и 3 с помощью дополнительного электропитания и/или с помощью датчика тока нулевой последовательности чередования фаз. Другие функции, использующие воссозданные сигналы тока, могут быть связаны с устройством расцепителя. Эти функции могут, например, быть отображением значений тока или функциями связи. Устройство расцепителя, описанное выше,предпочтительно включается в трехфазный автоматический выключатель, но оно также может быть создано независимо и работать как реле защиты. 9 ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Устройство расцепителя с воссозданием фазы, содержащее по меньшей мере, два датчика (2, 3), расположенные на проводах электропитания (36),которые должны быть защищены, и блок обработки (1), содержащий средство(4) для обработки сигналов тока, присоединенное к датчикам, средство (6) для воссоздания фазы, принимающее сигналы (Is1, Is3), представляющие сигналы тока, выдаваемые датчиками, и средство (5) для обработки функций расцепления, присоединенное к средству для обработки сигналов тока и к средству для воссоздания,отличающееся тем, что средство для воссоздания фазы содержит первые средства определения (11, 12, 25) сигналов (Ia1 и Ia3), представляющих амплитуды сигналов тока (Is1, Is3), выдаваемых двумя датчиками,вторые средства определения (15, 27-33) сигнала (F, S, cos, , (0, представляющего фазовый сдвиг между сигналами,представляющими сигналы (Is1 и Is3), выдаваемые двумя датчиками, и присоединенные к первым и вторым средствам определения третьи средства определения(13, 14, 16, 17, 34) сигнала Iа 22 и Ia2, I2), представляющего ток фазы, воссозданный согласно сигналам, представляющим амплитуды, и сигналу, представляющему фазовый сдвиг сигналов, выдаваемых двумя датчиками. 2. Устройство расцепителя по п.1, отличающееся тем, что вторые средства определения содержат средства (15, 33) для вычисления косинуса угла фазового сдвига между сигналами,представляющими сигналы (Is1, Is3), выдаваемые двумя датчиками. 3. Устройство расцепителя по одному из пп.1 или 2, отличающееся тем, что вторые средства определения содержат средства для определения моментов времени, когда сигналы, выдаваемые датчиками тока, проходят через ноль в предопределенном направлении, причем упомянутые моменты времени являются первым моментом времени (t1), когда первый сигнал (Is1) проходит через ноль, вторым моментом времени(t2), когда второй сигнал (Is3) проходит через ноль, и третьим моментом времени (t3), когда первый сигнал (Is1) снова проходит через ноль,сигнал, представляющий фазовый сдвиг, в значительной степени пропорционален отношению интервала времени (t2-t1) между первым (t1) и вторым (t2) моментами времени к интервалу 10 времени (t3-t1) между первым (t1) и третьим (t3) моментами времени, соответствующему периоду первого сигнала. 4. Устройство расцепителя по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что третьи средства определения содержат первое средство (16) для вычисления сигнала произведения (Р), чтобы вычислить произведение сигналов, представляющих амплитуды, и сигнала, представляющего фазовый сдвиг. 5. Устройство расцепителя по п.4, отличающееся тем, что третьи средства определения содержат второе средство (17) для вычисления сигнала суммы (Iа 22) квадратов сигналов амплитуд (Ia12, Ia32) и сигнала произведения (Р). 6. Устройство расцепителя по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что содержит средство (20) для определения тока нулевой последовательности чередования фаз, содержащее датчик тока (21), расположенный на всех проводах питания. 7. Устройство расцепителя по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что средство для воссоздания использует сигнал, выдаваемый третьими средствами определения, когда, по меньшей мере, один из сигналов тока (Isl, Is3),выдаваемых двумя датчиками, превосходит первый предварительно установленный порог(S1). 8. Устройство расцепителя по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что каждый датчик тока (2, 3) охватывает два провода электропитания. 9. Устройство расцепителя по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что содержит, по меньшей мере, три датчика (2, 3, 37), расположенные на проводах электропитания (36), которые должны быть защищены, первые средства определения (11, 12, 25) сигналов (Ia1, Ia3),представляющих амплитуды сигналов тока (Is1 и Is3), выдаваемых датчиками, и третьи средства определения (13, 14, 16, 17, 34), которые присоединены к первым и вторым средствам определения и определяют сигнал (Iа 22, Iа 2, I2),представляющий ток фазы, воссозданный согласно сигналам, представляющим амплитуды(Ia1, Ia3), сигналу, представляющему фазовый сдвиг (, 0) сигналов, выдаваемых двумя датчиками (2, 3), и сигналу (Isn), выдаваемому третьим датчиком (36). 10. Устройство расцепителя по любому из пп.1-9, отличающееся тем, что выполнено с возможностью установки в автоматическом выключателе, содержащем, по меньшей мере, три контакта (8), соединенные последовательно с проводами питания (36).