PL199597B1 - Urządzenie do wykrywania elektrycznych prądów różnicowych - Google Patents

Abstract

Urz adzenie do wykrywania elektrycznych pr adów ró zni- cowych, zw laszcza pr adów mieszanych z lo zonych z wyg la- dzonego pr adu sta lego i pr adów przemiennych, zawieraj ace przynajmniej dwa przewody dla nadzorowanych pr adów obci azenia i magnetyczny przek ladnik pr adowy, poprzez który przeprowadzone s a przewody, charakteryzuje si e tym, ze przewody (L1, L2, L3, N) przeprowadzone s a poprzez przynajmniej drugi magnetyczny przek ladnik pr adowy (7), przy czym ten drugi przek ladnik pr adowy (7) po laczony jest elektrycznie przewodz aco z pierwszym przek ladnikiem pr ado- wym (1). Pomi edzy pierwszym przek ladnikiem pr adowym (1) i drugim przek ladnikiem pr adowym (7) w laczony jest cz lon sprz egaj acy (8) do zmiany k ata fazowego p lyn acego pr adu o k at oko lo 180°, który to cz lon sprz egaj acy wykonany jest jako filtr górnoprzepustowy. Uzwojenie wtórne (N12) pierwszego przek ladnika (1) i uzwojenie wtórne (N22) drugiego przek lad- nika (7) s a po laczone szeregowo dla ujemnego sprzezenia zwrotnego wysokocz estotliwo sciowych sk ladowych pr adu ró znicowego w pierwszym przek ladniku pr adowym (1). Po- nadto pierwszy przek ladnik (1) z uzwojeniem wtórnym (N13) do laczonym do uk ladu multiwibratora (22), który jest po la- czony z uk ladem analizuj acym (216), stanowi a zespó l sk la- dowy moduluj acego uk ladu drgaj acego do detekcji niskocz e- stotliwo sciowych sk ladowych pr adu ró znicowego. W po la- czenie (217) pomi edzy pierwszym przek ladnikiem (1) i dru- gim przek ladnikiem (7) w laczony jest rezystor pomiarowy pr adu (210), który dla detekcji wysokocz estotliwo sciowych sk ladowych pr adu ró znicowego …. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do wykrywania elektrycznych prądów różnicowych, zwłaszcza prądów mieszanych składających się z wygładzonego prądu stałego i prądów przemiennych.

Znane urządzenie tego rodzaju zawiera przynajmniej dwa przewody do nadzorowanych prądów obciążenia i magnetyczny przekładnik prądowy, poprzez który poprowadzone są te przewody.

Urządzenia do wykrywania prądów różnicowych o widmie częstotliwości aż do OHz wykonywane są zwłaszcza jako uniwersalne urządzenia zabezpieczające prądu różnicowego, które wykrywają różnicę między prądami dopływającymi do urządzenia elektrycznego.

Urządzenia zabezpieczające prądu różnicowego stosowane są na przykład do ochrony urządzeń elektrycznych wykrywając wektorową sumę prądów wpływających do urządzenia, czyli prąd różnicowy, a w przypadku gdy przekracza on wartość graniczną, powodują odłączenie urządzenia od sieci zasilającej. Przez przetwornice częstotliwości, w urządzeniach elektrycznych, wskutek odpływu do ziemi mogą powstawać prądy różnicowe w zakresie częstotliwości od OHz do ponad 20 kHz, które mogą zostać wykryte tylko przez uniwersalnie czułe urządzenia zabezpieczające prądu różnicowego.

Przy szerokopasmowym wykrywaniu prądów o częstotliwościach aż do OHz, za pomocą przekładników prądowych, zastosowanie bezpośredniej zasady indukcji nie jest możliwe, gdyż przy zasadzie indukcji konieczna zmiana prądu w czasie, w tym przypadku nie występuje.

Aby za pomocą magnetycznych przekładników można było wykryć wygładzony prąd stały, z reguły stosuje się sposoby przy których stan namagnesowania wywołany w rdzeniu przekładnika przez wykrywany prąd Ι_Δ, wykrywa się przez nałożenie na pole magnetyczne zmieniające się w określonych odstępach czasu lub zmieniające się nieprzerwanie. Tak więc znany jest na przykład sposób, przy którym zmienny w czasie, przebiegający okresowo z określoną częstotliwością pomocniczą prąd nośny I_a o częstotliwości nośnej f_a, za pomocą uzwojenia pomocniczego wytwarza w rdzeniu przekładnika zmieniający się odpowiednio magnetyczny strumień, który w tym samym lub w dodatkowym uzwojeniu indukuje napięcie nośne Ua. Wykrywany prąd ΙΔ o dowolnym przebiegu czasowym, w rdzeniu przekładnika wytwarza również natężenie pola magnetycznego, które nakłada się na natężenie pola drgania pomocniczego. Wskutek tej modulacji, na zakrzywieniu charakterystyki magnesowania materiału rdzenia pojawia się czasowy przebieg prądu ΙΔ jako obwiednia napięcia nośnego Ua. Można ją ponownie odtworzyć za pomocą odpowiedniego sposobu demodulacji.

Znane są również sposoby, przy których przekładnik, w odpowiedni sposób, jako określający częstotliwość, sprzęgający zwrotnie podzespół, wytwarza napięcie nośne Ua w układzie multiwibratora. Jeżeli przekładnik takiego układu magnesowany jest dodatkowo przez wykrywany prąd ΙΔ, to moduluje on stosunek szerokości impulsów napięcia nośnego odpowiednio do przebiegu czasowego.

Wspólnym dla tych znanych sposobów jest to, że wykrywany prąd ΙΔ, poprzez zakrzywioną charakterystykę magnesowania, to znaczy przez zależną od natężenia pola przenikalność magnetyczną przekładnika steruje jego indukcyjność prądu przemiennego (zasada sterowanej indukcyjności), i w ten sposób moduluje napięcie nośne Ua (modulacja na nieliniowej charakterystyce). Poza tym dla tych sposobów wspólnym jest to, że modulacja napięcia nośnego Ua i prądu ΙΔ następuje w przekładniku i tym samym magnetyczny przekładnik prądowy jest modulatorem.

Przekładnik prądowy, który według wspomnianej zasady modulacji poddany jest działaniu sygnału nośnego lub sygnału analizującego fa względnie, który przez niego przepływa, wykrywa przez to w sposób niefiltrowany widmo częstotliwości mierzonego prądu elektrycznego ΙΔ.

Na skutek takiej zasady, niemożliwe jest uzyskanie górnego ograniczenia pasma częstotliwości widma prądu różnicowego w prosty sposób.

Modulacja stanowi zawsze analizowanie sygnału za pomocą sygnału analizującego o wyższej częstotliwości. Dlatego zgodnie z teorią analizowania według Shannon'a, częstotliwość nośna fa powinna być przynajmniej dwa razy większa niż największa z możliwych oczekiwanych częstotliwości użytecznych względnie pomiarowych fm max sygnału pomiarowego. Tak więc, do pozbawionego zniekształceń i zgodnego z sygnałem odtwarzania sygnału pomiarowego, przy wspomnianym sposobie pomiaru zależnym od końcowej częstotliwości analizowania względnie częstotliwości nośnej, wykrywa się tylko ograniczone w zakresie częstotliwości widmo częstotliwości prądu, zwłaszcza widmo prądu różnicowego lub widmo prądu uszkodzeniowego.

Jeżeli przy analizowaniu niedotrzymany zostanie warunek fm < 1/2 fa, to powstają w paśmie użytecznym składowe widma o częstotliwości lustrzanej fsp = fa-fm. Jeżeli w rzeczywistym paśmie użyteczPL 199 597 B1 nym zawarty jest sygnał fm o tej samej częstotliwości co częstotliwość lustrzana fsp, to w niekorzystny sposób dochodzi do zmian sygnału fm.

W stanie techniki proponuje się , aby w cią gu obróbki sygnał u przed modulacją lub analizowaniem, widmo częstotliwości sygnału pomiarowego, za pomocą filtrów dolnoprzepustowych wyższego rzędu, mających strome zbocza, ograniczyć do częstotliwości Fm max < 1/2 fa. Wskutek tego zapobiega się temu, że części widma powyżej 1/2 fa przepływają przez modulator.

Jak już wspomniano, niemożliwe jest ograniczenie od góry widma częstotliwości prądu różnicowego. Ponieważ wykrywany prąd różnicowy Ι_Δ działa bezpośrednio na modulator w postaci przekładnika, więc powstają w nim wspomniane wyżej częstotliwości lustrzane fsp, które z demodulowanego sygnału nie mogą już być usunięte, więc zależnie od warunków, prądy różnicowe w wykrywanym zakresie częstotliwości poniżej 1/2 fa wykrywane są zbyt czule lub silnie osłabione, na podstawie nakładania zgodnego w fazie lub w przeciwfazie. Skutkiem tego byłoby przedwczesne zadziałanie na przykład urządzenia zabezpieczającego będącego w czynnym współdziałaniu z urządzeniem, to znaczy zadziałanie urządzenia zabezpieczającego, takiego jak przekaźnik oddzielający poniżej żądanego progu prądu różnicowego, lub w negatywnym przypadku, braku koniecznego zadziałania urządzenia zabezpieczającego.

Urządzenie do wykrywania elektrycznych prądów różnicowych, zwłaszcza prądów mieszanych złożonych z wygładzonego prądu stałego i prądów przemiennych, zawierające przynajmniej dwa przewody dla nadzorowanych prądów obciążenia i zawierające magnetyczny przekładnik prądowy, poprzez który przeprowadzone są przewody, według wynalazku charakteryzuje się tym, że przewody nadzorowanych prądów obciążenia przeprowadzone są poprzez przynajmniej drugi, dodatkowy magnetyczny przekładnik prądowy, przy czym ten drugi przekładnik prądowy połączony jest elektrycznie przewodząco z pierwszym przekładnikiem prądowym. Pomiędzy pierwszym przekładnikiem prądowym i drugim przekładnikiem prądowym włączony jest człon sprzęgający do zmiany kąta fazowego płynącego prądu o kąt około 180°, który to człon sprzęgający wykonany jest jako filtr górnoprzepustowy. Pierwszy przekładnik prądowy ma uzwojenie wtórne, a drugi przekładnik prądowy ma uzwojenie wtórne, które to uzwojenia są elektrycznie połączone szeregowo dla ujemnego sprzężenia zwrotnego wysokoczęstotliwościowych składowych prądu różnicowego w pierwszym przekładniku prądowym. Ponadto pierwszy przekładnik prądowy z uzwojeniem wtórnym dołączonym do układu multiwibratora, który jest połączony z układem analizującym, stanowią zespół składowy modulującego układu drgającego do detekcji niskoczęstotliwościowych składowych prądu różnicowego. W połączenie pomiędzy pierwszym przekładnikiem prądowym i drugim przekładnikiem prądowym włączony jest rezystor pomiarowy prądu, który dla detekcji wysokoczęstotliwościowych składowych prądu różnicowego połączony jest z układem analizującym.

Korzystnym jest, że człon sprzęgający jest utworzony przez filtr górnoprzepustowy o ustalonej dolnej częstotliwości granicznej dla przebiegu częstotliwości prądu wyzwalającego w zależności od określonej granicy migotania komór serca.

Korzystnym jest, że człon sprzęgający stanowiący filtr górnoprzepustowy utworzony jest z przewodu o przynajmniej jednakowym uzwojeniu wokół pierwszego przekładnika prądowego i drugiego przekładnika prądowego.

Korzystnym jest, że w przewód włączona jest cewka indukcyjna tworząc filtr dolnoprzepustowy o określonej górnej częstotliwości granicznej.

Korzystnym jest, że pierwotne uzwojenia wszystkich aktywnych przewodów pierwszego przekładnika prądowego i drugiego przekładnika prądowego są wspólnymi uzwojeniami wokół rdzeni obu przekładników prądowych, a uzwojenie wtórne drugiego przekładnika prądowego i drugie uzwojenie wtórne pierwszego przekładnika prądowego stanowią wspólne uzwojenie rdzeni pierwszego przekształtnika prądowego i drugiego przekształtnika prądowego.

Korzystnym jest, że utworzony przez układ multiwibratora i uzwojenia pierwszego przekształtnika prądowego układ drgający, stanowi generator przebiegów prostokątnych.

Korzystnym jest, że do układu multiwibratora dołączony jest przynajmniej jeden filtr dolnoprzepustowy do demodulacji.

Korzystnym jest, że filtr dolnoprzepustowy wykonany jest jako aktywny filtr dolnoprzepustowy o charakterystyce z falistością w obszarze przepustowym większą niż 0 dB, i o rzędzie filtracji większym od 1.

Korzystnym jest, że do rezystora pomiarowego prądu dołączony jest układ opóźniający zadziałanie.

PL 199 597 B1

Korzystnym jest, że układ analizujący zawiera wzmacniacz sumujący z dołączonym prostownikiem dwupołówkowym, przy czym wzmacniacz sumujący ma różne progi zadziałania dla obu wykrytych składowych prądu różnicowego doprowadzonych z układu multiwibratora i z rezystora pomiarowego prądu.

Korzystnym jest, że do prostownika dwupołówkowego dołączony jest przynajmniej jeden układ komparatora.

Korzystnym jest, że pomiędzy prostownik dwupołówkowy i układ komparatora włączony jest przynajmniej jeden filtr dolnoprzepustowy.

Korzystnym jest, że układ komparatora ma dwa szeregowo połączone komparatory, przy czym za drugim komparatorem włączony jest filtr dolnoprzepustowy.

Korzystnym jest, że układ komparatora połączony jest z przynajmniej jednym przekaźnikiem wyzwalającym.

Korzystnym jest, że przekaźnik wyzwalający połączony jest z wtórnym uzwojeniem drugiego przekładnika prądowego, który połączony jest szeregowo z uzwojeniem wtórnym pierwszego przekładnika prądowego, poprzez przełącznik sterowany przez dołączony przynajmniej jeden detektor niedomiarowo-napięciowy.

Korzystnym jest, że pomiędzy przełącznikiem i przekaźnikiem wyzwalającym włączony jest bierny elektryczny układ dopasowujący.

Korzystnym jest, że elektryczny układ dopasowujący w połączeniu z uzwojeniem wtórnym drugiego przekładnika prądowego i z dołączonym szeregowo drugim uzwojeniem wtórnym pierwszego przekładnika prądowego, oraz z przekaźnikiem wyzwalającym, tworzą elektryczny obwód drgający szeregowy i równoległy.

Korzystnym jest, że drugi przekładnik prądowy ma uzwojenie o indukcyjności przewyższającej przynajmniej dwukrotnie wartość indukcyjności uzwojenia pierwszego przekładnika prądowego.

Korzystnym jest, że rdzeń pierwszego przekładnika prądowego i rdzeń drugiego przekładnika prądowego są umieszczone we wspólnej obudowie wykonanej jako korytko ochronne.

Korzystnym jest, że rdzeń pierwszego przekładnika prądowego wykonany jest z materiału nanokrystalicznego lub amorficznego.

Zgodnie z wynalazkiem opracowano urządzenie, które umożliwia stwierdzenie widma prądu różnicowego ograniczonego od góry i wolnego od zakłócających składowych częstotliwości. W rozwiązaniu według wynalazku przewody przeprowadzone są przynajmniej poprzez drugi, magnetyczny przekładnik prądowy, który połączony jest z pierwszym przekładnikiem prądowym. Pomiędzy przekładnikami prądowymi włączony jest człon sprzęgający powodujący zmianę kąta fazowego płynącego prądu o kąt około 180°. Człon sprzęgający wykonany jest jako filtr górnoprzepustowy.

W drugim przekładniku prądowym wykrywa się to samo widmo prądu różnicowego co w pierwszym przekładniku prądowym. Na podstawie połączenia obu przekładników prądowych i odpowiedniego dobrania rozmiarów przekładników prądowych, drugi przekładnik prądowy działa jako źródło prądu dla pierwszego przekładnika prądowego i na drodze elektrycznego połączenia przenosi, przede wszystkim zgodnie z sygnałem i bez zniekształceń, wykryte widmo prądu różnicowego na pierwszy przekładnik prądowy. Drugi przekładnik prądowy ma znacznie wyższą indukcyjność niż pierwszy przekładnik prądowy, tak że działa on jako źródło prądu.

Podczas przenoszenia widmo prądu różnicowego przebiega przez człon sprzęgający umieszczony w drodze połączeń pomiędzy oboma przekładnikami. Człon sprzęgający wykonany jest tak, że dokonuje się obrót fazowy wykrytego widma prądu różnicowego, to znaczy obrót fazowy dla prądu przechodzącego poprzez drogę połączeń. Po przejściu przez człon sprzęgający widmo prądu różnicowego drugiego przekładnika prądowego o obróconej teraz fazie zostaje wprowadzone z ujemnym sprzężeniem zwrotnym do pierwszego przekładnika prądowego.

Przez wykonanie członu sprzęgającego jako filtru górnoprzepustowego zapewnione jest to, że składowe widma prądu różnicowego znajdujące się powyżej ustalonej, dolnej częstotliwości granicznej fgu zostają wprowadzone do pierwszego przekładnika prądowego z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Składowe widma prądu różnicowego w istotnym zakresie pomiarowym poniżej tej częstotliwości granicznej fgu zostają wykryte przez pierwszy przekładnik prądowy niezmienione tak, że korzystnie nie występuje żadne zniekształcenie wyniku pomiaru.

Wskutek tego ujemnego sprzężenia zwrotnego w zakresie częstotliwości powyżej częstotliwości fgu w czasie rzeczywistym uzyskuje się korzystnie wygaszenie zakłócających składowych widma prądu

PL 199 597 B1 różnicowego. Te składowe widma przeciwstawione są sobie przy tej samej amplitudzie, ale w fazie przesuniętej o kąt 180° tak, że następuje redukcja amplitudy prawie do 0.

Filtr górnoprzepustowy ma ustaloną dolną częstotliwość graniczną fgu, która umożliwia przebieg częstotliwości prądu wyzwalającego zgodnie z graniczną wartością ochrony osób ustaloną przez dokument lEC-Reporty 479 określający granicę migotania komór serca. Przez zastosowanie urządzenia według wynalazku, pomiar prądu elektrycznego i pewne zadziałanie urządzenia zabezpieczającego poniżej tej częstotliwości granicznej może nastąpić bez wpływu wysokoczęstotliwościowych składowych widma zakłócającego.

Częstotliwość nośna fa przekładników może być znacznie większa niż dolna częstotliwość graniczna fgu filtra górnoprzepustowego. W tym przypadku wystarcza już funkcja filtracyjna pierwszego rzędu, aby zapewnić, że przy powstających jeszcze częstotliwościach różnicowych amplituda jest tak mała, że wpływ na właściwe widmo pomiarowe może być pominięty.

W najprostszym przypadku człon sprzęgający wykonany jako filtr górnoprzepustowy składa się z przewodu o jednakowym nawinię ciu wokół pierwszego i wokół drugiego przekł adnika prą dowego, przy czym przewód posiada określoną rezystancję i z indukcyjnościami obu przekładników prądowych tworzy filtr górnoprzepustowy pierwszego rzędu. Rezystancja przewodu jest przy tym tak dobrana, że osiągnięta jest dolna częstotliwość graniczna fgu, aby spełnić zalecenia lEC-Report 479 odnośnie ochrony osób.

Dodatkowo, przez szeregowe połączenie indukcyjności (na przykład zwykły rdzeń ferrytowy) z rezystancją przewodu, tworzy się filtr dolnoprzepustowy korzystnie pierwszego rzę du, z drugą, wyższą częstotliwością graniczną. Częstotliwość fgo jest tak dobrana, że w całym widmie prądu różnicowego analizowanym przez urządzenie według wynalazku, nie zostaje przekroczony maksymalny próg wyzwalania zapewniający ochronę przeciwpożarową.

Urządzenie według wynalazku wykonane jest z biernych elementów konstrukcyjnych, ale może być również zrealizowane z wykorzystaniem aktywnego układu wzmacniającego.

Przedmiot wynalazku objaśniony jest w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia układ połączeń elementów składowych urządzenia do wykrywania elektrycznego prądu różnicowego, fig. 2 - schemat zastępczy urządzenia z fig. 1, fig. 3 - wykres przebiegu częstotliwości prądu wyzwalającego w urządzeniu z fig. 1 i 2, fig. 4 - schemat blokowy urządzenia według wynalazku, a fig. 5 przedstawia część układu z fig. 4.

Urządzenie na fig. 1 posiada pierwszy magnetyczny przekładnik prądowy 1. Poprzez ten przekładnik 1 przeprowadzony jest ciąg przewodów elektrycznych 2 zawierający przewody L1, L2, L3 i N.

Z pierwszym przekładnikiem 1 za pomocą przewodów 3 połączony jest zespół analizujący 4, który poprzez przewód 3 połączony jest następnie z zespołem wyzwalającym 5. Zespół wyzwalający 5 działa mechanicznie zwrotnie na stację rozdzielczą 6 tak, że przy wystąpieniu określonego prądu różnicowego następuje przerwanie drogi przewodów prowadzonych w ciągu przewodów 2. Urządzenie według wynalazku wykonane jest więc jako urządzenie zabezpieczające prądu różnicowego.

Za pierwszym przekładnikiem prądowym 1 włączony jest drugi przekładnik prądowy 7. Ciąg przewodów elektrycznych 2 w połączeniu z pierwszym przekładnikiem 1 poprowadzony jest poprzez drugi przekładnik 7. W dalszym przebiegu drogi przewodów elektrycznych do przekładnika 7 może być dołączona na przykład przetwornica częstotliwości.

Drugi przekładnik 7 poprzez człon sprzęgający 8 połączony jest z pierwszym przekładnikiem 1. Człon sprzęgający 8, jak wynika z fig. 2, utworzony jest z rezystora R1 i cewek indukcyjnych LW1 i LW2 pierwszego i drugiego przek ładnika prądowego 1 (W1) i 7 (W2) i stanowi filtr górnoprzepustowy pierwszego rzędu. Schemat zastępczy przedstawia prostą, bierną budowę urządzenia według wynalazku, która zasilana jest z szyny pierwotnego prądu różnicowego 9.

Do rezystora R1 dołączona jest jeszcze szeregowo cewka indukcyjna L1 tak, że przez człon sprzęgający 8 utworzony jest jednocześnie prosty filtr dolnoprzepustowy.

Na fig. 3 przedstawiono linią ciągłą 10 przebieg progu wyzwalania dla urządzenia z fig. 1 i 2, w funkcji czę stotliwo ś ci. Przy niskich czę stotliwo ś ciach do 100 Hz, natężenie prą du wyzwalają cego jest mniejsze od 30 mA. Przy wzroście częstotliwości do 1000 Hz i więcej, natężenie prądu wyzwalającego wzrasta do wielkości powyżej 100 mA.

Za pomocą linii osiowych, na fig. 3 zaznaczone są minimalne i maksymalne wartości progowe zgodnie z zaleceniami Report IEC 479. Przebieg natężenia prądu wyzwalającego znajduje się korzystnie w zakresie pomiędzy dopuszczalnymi jeszcze wartościami minimalnymi i maksymalnymi. Przerywana linia dla wartości około 400 mA wyznacza górne natężenie prądu wyzwalającego pod

PL 199 597 B1 względem ochrony przeciwpożarowej. Do tej granicy zbliża się linia ciągła 10 przy wysokich częstotliwościach rzędu 1000 Hz lub większych, jednakże jej nie osiąga.

Dalsze przykłady wykonania wynalazku są objaśnione na podstawie fig. 4 i fig. 5 rysunku. Schemat blokowy urządzenia według wynalazku, do wykrywania elektrycznych prądów różnicowych przedstawiono na fig. 4, a na fig. 5 przedstawiono część układu z fig. 4, która z uzwojeniem N13 pierwszego przekładnika 1 tworzy modulujący układ drgający.

W celu rozpoznawania wygładzonych uszkodzeniowych prądów stałych oraz uszkodzeniowych prądów przemiennych o różnym kształcie, które zgodnie z zasadą indukcji nie mogą być wykryte podjęto wykrywanie według zasady sterowanej indukcyjności w pierwszym przekładniku prądowym 1. Aby zapewnić, że warunek analizowania Shannon'a nie zostanie naruszony przez składowe prądu różnicowego o zbyt wysokich częstotliwościach, te składowe prądu z drugiego przekładnika prądowego 7 zostały wprowadzone do uzwojenia N12 pierwszego przekładnika prądowego 1 przy sprzężeniu zwrotnym, tak że pod względem magnetycznym działają one w rdzeniu pierwszego przekładnika prądowego 1 przy silnym stłumieniu. W tym celu uzwojenia wtórne N12 i N22 mają korzystnie jednakowe liczby zwojów, a drugi przekładnik prądowy 7 ma rdzeń o znacznie większym współczynniku indukcyjności niż rdzeń pierwszego przekładnika prądowego 1. Przy tym drugi przekładnik prądowy 7 poprzez swoje uzwojenie N22 działa na uzwojenie wtórne N12 jako źródło prądu tak, że prąd magnesowania wstępnego nie jest przenoszony z pierwszego przekładnika prądowego 1 na drugi przekładnik prądowy 7. Człon sprzęgający 29 w obwodzie prądu sprzężenia zwrotnego określa przy tym, sam lub razem z indukcyjnościami uzwojeń wtórnych N12 i N22, charakterystykę amplituda/czę stotliwość dla prą du ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Udziały prądu o częstotliwościach f>fg<1/2fr, które zakłócają bezbłędną modulację sygnałów nośnych fr przez niskie częstotliwości prądu różnicowego f>fg w przekładniku prądowym 1 zostają korzystnie usunięte z widma prądu różnicowego.

Urządzenie RCD w przykładzie wykonania z fig. 4 zostało tak dalece ulepszone, że wykrywalny zakres częstotliwości prądu różnicowego został rozszerzony aż do bardzo wysokich częstotliwości, to znaczy aż do zakresu MHz. W tym celu włączony w obwodzie prądowego sprzężenia zwrotnego 217 niskoomowy rezystor pomiarowy prądu 210 jest połączony z układem analizującym 216. Z rezystora pomiarowego prądu 210 odprowadzane jest napięcie proporcjonalne do prądu sprzężenia zwrotnego i jednocześnie doprowadzone jest bezpośrednio do układu analizującego 216 lub doprowadzone jest tam poprzez dodatkowe układy obróbki sygnału.

Ponieważ prąd sprzężenia zwrotnego zawiera składowe górnych częstotliwości prądu różnicowego o przebiegu amplituda/częstotliwość, które w pierwszym przekładniku prądowym 1 na podstawie ujemnego sprzężenia zwrotnego zostały wygaszone, więc widma częstotliwości przenoszone w obu drogach sygnału, po dopasowaniu wzmocnienia, w idealny sposób umożliwiają ponowne całkowite ich dodanie i utworzenie pierwotnego całościowego widma prądu różnicowego, co odpowiada wygładzonej charakterystyce częstotliwościowej prądu zadziałania urządzenia RCD.

Ponadto, pierwszy przekładnik prądowy 1 tylko jednym swym wtórnym uzwojeniem stanowi część składową modulującego układu drgającego, wskutek czego umożliwione jest proste przemienne magnesowanie wstępne pierwszego przekładnika prądowego 1 przez prąd przemienny o wysokiej częstotliwości nośnej fr. Korzystnie, można zrezygnować z zastosowania osobnego generatora częstotliwości z dołączonymi stopniami filtrującymi.

Rozwinięcie wynalazku przewiduje, że modulujący układ drgający utworzony z układu generatora 22 i uzwojenia N13 można prosto i przy niskich kosztach wykonać w postaci generatora przebiegów prostokątnych (multiwibrator).

Na fig. 5 przedstawiona jest możliwa postać generatora częstotliwości jako multiwibratora z komparatorem lub ze wzmacniaczem operacyjnym U1. Przy tym częstotliwość określa tu indukcyjność uzwojenia N13 na rdzeniu pierwszego przekładnika prądowego 1 razem z omowymi rezystorami

R1, R2 i R3.

Korzystnie, w celu uzyskania wysokiej częstotliwości nośnej fr, rdzeń pierwszego przekładnika prądowego 1 jest wykonany z niskostratnego, nanokrystalicznego lub amorficznego materiału o niskim współczynniku indukcyjności.

Wskutek przepływu prądu przemiennego przez uzwojenie N13 pierwszego przekładnika prądowego 1, w jego rdzeniu tworzy się stan przemiennej magnetyzacji. Jeżeli poprzez pierwszy przekładnik prądowy 1 nie przepływa żaden inny prąd, to sygnał wyjściowy generatora przebiegów prostokątnych jest sygnałem prostokątnym o stosunku impulsu do przerwy wynoszącym 1:1. Jeżeli jednak

PL 199 597 B1 rdzeń pierwszego przekładnika prądowego 1 magnesowany jest dodatkowo przez prąd różnicowy, to znaczy przez różnicę prądów obciążenia w pierwotnych uzwojeniach N11a i N11b, to ten prąd różnicowy wpływa na stan przemiennego magnesowania, który odpowiednio do przebiegu prądu różnicowego doznaje chwilowej zmiany indukcyjności uzwojenia N13. Wskutek tego zmienia się stała czasowa członu określającego częstotliwość, składającego się z indukcyjności uzwojenia N13 i rezystora R1, a tym samym zmienia się też stosunek impulsu do przerwy drgań generatora przebiegów prostokątnych. Drganie generatora przebiegów prostokątnych służy więc jako częstotliwość nośna i modulowane jest przez prąd różnicowy pod względem stosunku czasu trwania impulsu do przerwy.

Korzystnie przewiduje się, że za układem generatora 22 tworzącym z uzwojeniem N13 generator przebiegów prostokątnych, dołączony jest dla demodulacji, przynajmniej jeden filtr dolnoprzepustowy 23. Aby dostatecznie stłumić częstotliwość nośną fr, filtr dolnoprzepustowy 23 wykonany jest na przykład jako aktywny filtr wyższego rzędu, o dużej stromości charakterystyki w obszarze zaporowym i o częstotliwości granicznej wyraźnie poniżej częstotliwości nośnej fr. Na wyjściu filtra dolnoprzepustowego 23 otrzymywany jest obraz prądu różnicowego i doprowadzany do analizowania.

Zgodnie z dalszym wykonaniem wynalazku przewiduje się, że do rezystora pomiarowego 210 prądu, znajdującego się na trasie linii pomiędzy przekładnikami prądowymi 1 i 7, przyłączony jest układ opóźniający 211, dla opóźniania zadziałania składowych widma prądu różnicowego o wyższych częstotliwościach.

Korzystnie, układ analizujący 216, między innymi do oceny sygnałów dolnego widma częstotliwości z filtru dolnoprzepustowego 23 i sygnałów o wyższej częstotliwości pochodzących z prądu sprzężenia zwrotnego, zawiera wzmacniacz sumujący 24 z dołączonym prostownikiem dwupołówkowym 25. Wzmacniacz sumujący 24 umożliwia to, że widma prądu różnicowego wykryte dwoma sposobami w urządzeniu według wynalazku, wskutek różnych wzmocnień mogą być przyporządkowane różnym przypisanym wielkościom prądów różnicowych. Na przykład, w celu realizacji ochrony osobowej o określonym prądzie różnicowym 30 mA, z pierwszego przekładnika prądowego 1 separuje się tylko składowe widma prądu różnicowego o częstotliwościach od 0 do około 100 Hz, podczas gdy z sygnału generowanego z prądowego ujemnego sprzężenia zwrotnego wykrywa się dalsze składowe widma prądu różnicowego, aż do częstotliwości z zakresu MHz, a w celu realizacji ochrony przeciwpożarowej przyporządkowuje się określonemu prądowi różnicowemu o wielkości 300 mA.

Ponadto, jako część składową układu analizującego 216, do prostownika dwupołówkowego 25 dołączony jest przynajmniej jeden układ komparatora 27. Pomiędzy wzmacniaczem sumującym 24 i układem komparatora 27 umieszczony jest przy tym filtr dolnoprzepustowy 26 o tak nastawionej częstotliwości granicznej, że dołączony komparator działa na amplitudy impulsowych sygnałów prądu różnicowego o częstotliwości 50 Hz, w zakresie granic żądanych we właściwych normach.

Układ komparatora 27 korzystnie zawiera dwa szeregowo połączone komparatory, przy czym filtr dolnoprzepustowy 26 dołączony jest do drugiego komparatora. Drugi komparator z filtrem dolnoprzepustowym służy do tego, aby urządzenie według wynalazku nie zadziałało przy krótkich, przejściowych prądach różnicowych. Ponadto za pomocą układu filtru dolnoprzepustowego uzyskuje się opóźnienie, które powoduje zadziałanie dopiero przy maksymalnie dopuszczalnym czasie wyzwalania. Wskutek tego zwiększa się zabezpieczenie przed zakłóceniami dla urządzenia według wynalazku. Przy wykonaniach urządzenia według wynalazku dla przepisanych prądów różnicowych > 30 mA można więc nastawić czasy zadziałania, które urządzeniu według wynalazku nadają własność selektywnego czasowo urządzenia zabezpieczającego prądu różnicowego. Przy tym układ komparatora 27 jest korzystnie połączony z przynajmniej jednym przekaźnikiem wyzwalającym 213, który przy zaistnieniu prądu różnicowego powoduje, że na przykład mechaniczny przyrząd zestykowy przerywa drogę połączeń prądu obciążenia.

Zgodnie z innym przykładem wykonaniem wynalazku, przekaźnik wyzwalający 213 połączony jest z określonymi wtórnymi uzwojeniami N22, N12 obu przekaźników prądowych 1,7, przy czym połączenie dokonuje się za pomocą przełącznika 28, który poddany jest przełączającemu działaniu przynajmniej jednego detektora niedomiarowo-napięciowego 214 (podnapięciowego). Urządzenie według wynalazku jest więc wskutek tego również w zakresie niedomiarowo-napięciowym niezależne od napięcia pomocniczego, tak jak zwykły wyłącznik zabezpieczający FJ stosowany do ustalania prądów różnicowych w ograniczonym zakresie częstotliwości. Jeżeli dla podzespołów urządzenia według wynalazku zależnych od napięcia pomocniczego, żądane napięcie sieciowe znajduje się poniżej ustalonej wartości, to określone uzwojenia wtórne N22, N12 obu przekładników prądowych 1,7 połączone

PL 199 597 B1 zostają bezpośrednio z cewką wzbudzającą przekaźnika wyzwalającego. Przełącznik 28 tworzy przewodzące połączenie pomiędzy tymi podzespołami.

Korzystnie, pomiędzy przełącznikiem 28 i przekaźnikiem wyzwalającym 213 włączony jest elektryczny układ dopasowujący 212. Jeżeli napięcie znajduje się poniżej ustalonej wartości, na przykład poniżej 50V, to przełącznik 28 łączy elektrycznie, szeregowo ze sobą połączone uzwojenie wtórne N22 drugiego przekładnika prądowego 7 i drugie uzwojenie wtórne N12 pierwszego przekładnika prądowego 1, z elektrycznym układem dopasowującym 212. Tworzy on, w połączeniu z indukcyjnościami obu przekładników prądowych 1,7 i z przekaźnikiem wyzwalającym 213, szeregowo równoległy obwód drgający, który w znany sposób stosowany jest do wykrywania przemiennych i impulsowych prądów różnicowych. Jeżeli napięcie znajduje się powyżej ustalonej wartości, to przełącznik 28 przełącza się i tworzy przewodzące połączenie pomiędzy uzwojeniem N12 i, szeregowo z członem sprzęgającym 29 włączonym rezystorem pomiarowym prądu 210.

W korzystnym wykonaniu urządzenia według wynalazku człon sprzęgający 29 wykonany jest w zwykły sposób jako rezystor omowy, który razem z indukcyjnościami uzwojeń N12 i N22 dla prą du w obwodzie ujemnego sprzężenia zwrotnego tworzy filtr górnoprzepustowy pierwszego rzędu o częstotliwości granicznej fg. Ponieważ w tym przypadku na rezystorze pomiarowym prądu 210 występuje znacznie większy spadek napięcia niż na niskoomowym rezystorze pomiarowym prądu, przetwarzanie sygnału w dalszych stopniach jest proste i mniej narażone na zakłócenia.

W innym przykł adzie wykonania pierwotne uzwojenia aktywnych przewodów obu przekł adników prądowych 1,7 są wspólnymi uzwojeniami wokół obu rdzeni przekładników, przy czym pierwsze uzwojenie wtórne N13 pierwszego przekładnika prądowego 1 wykonane jest jako osobne uzwojenie układu drgającego, a wtórne uzwojenie N22 drugiego przekładnika prądowego 7 i drugie uzwojenie wtórne N12 pierwszego przekładnika prądowego 1 stanowią wspólne uzwojenie. Wskutek tego powstaje obrót fazowy konieczny dla działania ujemnego sprzężenia zwrotnego prądu z uzwojenia N22 drugiego przekładnika prądowego 7 na pierwszy przekładnik prądowy 1, przy czym uzyskuje się to za pomocą zwykłych biernych dwójników jako członu sprzęgającego. Przez wspólne prowadzenie tych uzwojeń możliwe jest zwarte wykonanie urządzenia według wynalazku.

W szczególnie korzystnym przykładzie wykonania rdzeń pierwszego przekładnika prą dowego 1 i rdzeń drugiego przekładnika prądowego 7 umieszczone są w obudowie wykonanej jako ochronne koryto. Oba rdzenie, zwłaszcza w przypadku niedomiarowo napięciowym (podnapięcia), przyczyniają się do utworzenia większej indukcyjności, aby spowodować wyzwolenie niezależne od napięcia pomocniczego, przy przemiennych i impulsowych prądach różnicowych.

Schemat blokowy na fig. 4 zawiera dwa elektryczne przewody 21, które stanowią pierwotne uzwojenia N11a i N11b oraz N21a i N22b dwóch magnetycznych przekładników prądowych 1 i 7.

Pierwszy przekładnik prądowy 1 ma dwa oddzielone od siebie uzwojenia wtórne N13 i N12. Pierwsze uzwojenie wtórne N13 razem z układem 22 stanowią układ drgający wykonany jako generator przebiegów prostokątnych (fig. 2). Generator przebiegów prostokątnych połączony jest z filtrem dolnoprzepustowym 23, z którym połączony jest wzmacniacz sumujący 24 stanowiący część urządzenia analizującego 216, i kolejno dołączony jest prostownik dwupołówkowy 25.

Drugie uzwojenie wtórne N12 pierwszego przekładnika prądowego 1, oraz wtórne uzwojenie N22 drugiego przekładnika prądowego 7 połączone są poprzez przełącznik 28 z szeregowo połączonymi członem sprzęgającym 29 i rezystorem pomiarowym prądu 210. Rezystor pomiarowy prądu 210 poprzez układ opóźniający 211 połączony jest również ze wzmacniaczem sumującym 24. Sygnały zebrane razem we wzmacniaczu sumującym 24, poprzez prostownik dwupołówkowy 25 i włączony za nim filtr dolnoprzepustowy 26 doprowadzone są do układu komparatora 27. Ten układ komparatora 27 połączony jest z przekaźnikiem wyzwalającym 213.

Przełącznik 28 w obwodzie prądowym uzwojeń wtórnych N12 i N22 znajduje się we wzajemnym oddziaływaniu z powodującym jego przełączanie detektorem niedomiarowo-napięciowym 214. Schemat blokowy przedstawia stan istnienia podnapięcia. W tym przypadku wtórne uzwojenia N12 i N22 obu przekładników prądowych 1,7 poprzez elektryczny układ dopasowujący 212 dołączone są bezpośrednio do przekaźnika wyzwalającego 213.

Układ zasilania sieciowego 215 zasilany z przewodów elektrycznych 21, zasila podzespoły zależne od napięcia pomocniczego 22, 23, 24, 25, 26, 27, 211 i 214 wymaganym napięciem stałym.

Claims (20)

1. Urządzenie do wykrywania elektrycznych prądów różnicowych, zwłaszcza prądów mieszanych złożonych z wygładzonego prądu stałego i prądów przemiennych, zawierające przynajmniej dwa przewody dla nadzorowanych prądów obciążenia i zawierające magnetyczny przekładnik prądowy, poprzez który przeprowadzone są przewody, znamienne tym, że przewody (L1, L2, L3, N) przeprowadzone są poprzez przynajmniej drugi, dodatkowy magnetyczny przekładnik prądowy (7), przy czym ten drugi przekładnik prądowy (7) połączony jest elektrycznie przewodząco z pierwszym przekładnikiem prądowym (1), a pomiędzy pierwszym przekładnikiem prądowym (1) i drugim przekładnikiem prądowym (7) włączony jest człon sprzęgający (8) do zmiany kąta fazowego płynącego prądu o kąt około 180°, który to człon sprzęgający wykonany jest jako filtr górnoprzepustowy, przy czym pierwszy przekładnik prądowy (1) ma uzwojenie wtórne (N12), a drugi przekładnik prądowy (7) ma uzwojenie wtórne (N22), które to uzwojenia są elektrycznie połączone szeregowo dla ujemnego sprzężenia zwrotnego wysokoczęstotliwościowych składowych prądu różnicowego w pierwszym przekładniku prądowym (1), a ponadto pierwszy przekładnik prądowy (1) z uzwojeniem wtórnym (N13) dołączonym do układu multiwibratora (22), który jest połączony z układem analizującym (216), stanowią zespół składowy modulującego układu drgającego do detekcji niskoczęstotliwościowych składowych prądu różnicowego, a w połączenie (217) pomiędzy pierwszym przekładnikiem prądowym (1) i drugim przekładnikiem prądowym (7) włączony jest rezystor pomiarowy prądu (210), który dla detekcji wysokoczęstotliwościowych składowych prądu różnicowego połączony jest z układem analizującym (216).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że człon sprzęgający (8) jest utworzony przez filtr górnoprzepustowy o ustalonej dolnej częstotliwości granicznej (fgu) dla przebiegu częstotliwości prądu wyzwalającego w zależności od określonej granicy migotania komór serca.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że człon sprzęgający (8) stanowiący filtr górnoprzepustowy utworzony jest z przewodu o przynajmniej jednakowym uzwojeniu wokół pierwszego przekładnika prądowego (1) i drugiego przekładnika prądowego (7).

4. Urządzenie według zastrz. 3, znamienne tym, że w przewód włączona jest cewka indukcyjna tworząc filtr dolnoprzepustowy o górnej częstotliwości granicznej (fgo).

5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pierwotne uzwojenia (N11, N21a, N11b, N21b) wszystkich aktywnych przewodów pierwszego przekładnika prądowego (1) i drugiego przekładnika prądowego (7) są wspólnymi uzwojeniami wokół rdzeni obu przekładników prądowych (1,7), a uzwojenie wtórne (N22) drugiego przekładnika prądowego (7) i drugie uzwojenie wtórne (N12) pierwszego przekładnika prądowego (1) stanowią wspólne uzwojenie rdzeni pierwszego przekształtnika prądowego (1) i drugiego przekształtnika prądowego (7).

6. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że utworzony przez układ multiwibratora (22) i uzwojenia (N13) pierwszego przekształtnika prądowego (1) układ drgający, stanowi generator przebiegów prostokątnych.

7. Urządzenie według zastrz. 6, znamienne tym, że do układu multiwibratora (22) dołączony jest przynajmniej jeden filtr dolnoprzepustowy (23) do demodulacji.

8. Urządzenie według zastrz. 7, znamienne tym, że filtr dolnoprzepustowy (23) wykonany jest jako aktywny filtr dolnoprzepustowy o charakterystyce z falistością w obszarze przepustowym większą niż O dB, i o rzędzie filtracji większym od 1.

9. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że do rezystora pomiarowego prądu (210) dołączony jest układ opóźniający zadziałanie (211).

10. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że układ analizujący (216) zawiera wzmacniacz sumujący (24) z dołączonym prostownikiem dwupołówkowym (25), przy czym wzmacniacz sumujący (24) ma różne progi zadziałania dla obu wykrytych składowych prądu różnicowego doprowadzonych z układu multiwibratora (22) i z rezystora pomiarowego prądu (210).

11. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że do prostownika dwupołówkowego (25) dołączony jest przynajmniej jeden układ komparatora (27).

12. Urządzenie według zastrz. 11, znamienne tym, że pomiędzy prostownik dwupołówkowy (25) i układ komparatora (27) włączony jest przynajmniej jeden filtr dolnoprzepustowy (26).

13. Urządzenie według zastrz. 11 albo 12, znamienne tym, że układ komparatora (27) ma dwa szeregowo połączone komparatory, przy czym za drugim komparatorem włączony jest filtr dolnoprzepustowy.

PL 199 597 B1

14. Urządzenie według zastrz. 13, znamienne tym, że układ komparatora (27) połączony jest z przynajmniej jednym przekaź nikiem wyzwalającym (213).

15. Urządzenie według zastrz. 14, znamienne tym, że przekaźnik wyzwalający (213) połączony jest z wtórnym uzwojeniem (N22) drugiego przekładnika prądowego (7), który połączony jest szeregowo z uzwojeniem wtórnym (N12) pierwszego przekładnika prądowego (1), poprzez przełącznik (28) sterowany przez dołączony przynajmniej jeden detektor niedomiarowo-napięciowy (214).

16. Urządzenie według zastrz. 15, znamienne tym, że pomiędzy przełącznikiem (28) i przekaźnikiem wyzwalającym (213) włączony jest bierny elektryczny układ dopasowujący (212).

17. Urządzenie według zastrz. 16, znamienne tym, że elektryczny układ dopasowujący (212) w połączeniu z uzwojeniem wtórnym (N22) drugiego przekładnika prądowego (7) i z dołączonym szeregowo drugim uzwojeniem wtórnym (N12) pierwszego przekładnika prądowego (1), oraz z przekaźnikiem wyzwalającym (213), tworzą elektryczny obwód drgający szeregowy i równoległy.

18. Urządzenie według zastrz. 17, znamienne tym, że drugi przekładnik prądowy (7) ma uzwojenie o indukcyjności przewyższającej przynajmniej dwukrotnie wartość indukcyjności uzwojenia pierwszego przekładnika prądowego (1).

19. Urządzenie według zastrz. 18, znamienne tym, że rdzeń pierwszego przekładnika prądowego (1) i rdzeń drugiego przekładnika prądowego (7) są umieszczone we wspólnej obudowie wykonanej jako korytko ochronne.

20. Urządzenie według zastrz. 19, znamienne tym, że rdzeń pierwszego przekładnika prądowego (1) wykonany jest z materiału nanokrystalicznego lub amorficznego.