Фильтры симметричных составляющих

Фильтрами симметричных составляющих называются технические устройства или схемы, служащие для выделения соответствующих составляющих токов или напряжений из несимметричной трёхфазной системы векторов.

Напряжения и токи, выделяемые фильтрами симметричных составляющих, используются на практике в качестве входных величин для релейной защиты энергетических установок (генераторов, трансформаторов, линий электропередачи) от несимметричных режимов, возникающих в результате коротких замыканий, или для соответствующей сигнализации о несимметричном режиме.

В схемах релейной защити широко применяются реле, реагирующие на отдельные симметричные составляющие или на их комбинацию. Защита от замыканий на землю выполняется, как правило, с реле тока нулевой последовательности. Реле тока и напряжения обратной последовательности применяются для пуска дистанционных защит в случае появления несимметрии в сети, хотя бы кратковременно возникающей при любом повреждении.

Использование составляющих тока и напряжения обратной и нулевой последовательностей позволяет выполнить устройства релейной защиты более чувствительными, так как в нормальном режиме эти составляющие отсутствуют.

Для выделения симметричных составляющих из полных токов и напряжений применяются специальные устройства — фильтры. Фильтром тока или напряжения симметричных составляющих называется электрическая схема, состоящая из трансформаторов, активных и реактивных сопротивлений, параметры которых подобраны таким образом, чтобы пропускать в реле, включенное на выходе фильтра, только составляющие одной определенной последовательности и не пропускать других. Следовательно, если на вход фильтра какой-либо последовательности поданы составляющие других последовательностей, напряжение или ток на выходе фильтра от этих последовательностей должны равняться нулю.

Так, например, напряжение на выходе фильтра напряжения обратной последовательности будет равно нулю при подаче на его вход напряжений прямой и нулевой последовательностей. При подаче же на вход фильтра напряжения обратной последовательности на его выходе появится напряжение определенной величины, зависящей от параметров фильтра и подключенной нагрузки.

Схема соединения трансформаторов тока на сумму токов трех фаз (фильтр тока нулевой последовательности ФТНП)

Ток в реле появляется только при замыканиях на землю. В нормальном режиме Iр=Iа+Ib+Ic=0, kсх=0.

В режиме замыкания на землю Iр=Ia+Ib+Ic=3I0, kсх=3

Рисунок 1 Схема включения ИТН

Схема соединения однофазных трансформаторов напряжения в фильтр напряжения нулевой последовательности. Первичные обмотки соединены в звезду с заземленной нейтралью, а вторичные — последовательно, образуя незамкнутый треугольник. К зажимам разомкнутых вершин треугольника подсоединяются реле напряжения KV. Напряжение U2 на зажимах разомкнутого треугольника равно геометрической сумме напряжений вторичных обмоток:

Необходимым условием работы схемы в качестве фильтра НП является заземление нейтрали первичной обмотки ТН. Применяя однофазные ТН с двумя вторичными обмотками, можно соединить одну из них по схеме звезды, а вторую — по схеме разомкнутого треугольника. Номинальное вторичное напряжение у обмотки, предназначенной для соединения в разомкнутый треугольник, принимается равным для сетей с заземленной нейтралью 100 В, а для сетей с изолированной нейтралью 100/3 В.

Рисунок 2 Фильтр тока обратной последовательности

Фильтр тока обратной последовательности (ФТОП). Первич­ный ток обратной последовательности определяется выражением İ_2A = (İ_A + а² İ_B + a İ_C)/3, где İ_A, İ_B и İ_C — фазные токи со­ответственно фаз А, В и С; а = е^j2π/³ — оператор фазы.

Таким образом, складывая геометрически вторичный ток İ_а с повернутыми против часовой стрелки на угол 4π/3 током İ_b и на угол 2π/3 током İ_с, из несимметричной системы вторичных фазных токов можно выделить составляющую обратной последовательности. При подведении к такому фильтру фазных токов или их разностей на его выходе должен появиться (при наличии несимметрии) только ток обратной последовательности. Составляющие нулевой последовательности в фазных токах равны по абсолютному значению и совпадают по фазе, поэтому в разностях фазных токов, например (İ_а — İ_b), (İ_b — İ_с), (İ_с — İ_а), они отсутствуют. В связи с этим для упрощения фильтра его следует включать не на фазные токи, а на их разность.

Существует множество различных схем фильтров токов обратной последовательности. Одним из них является фильтр, используемый в устройстве фильтр-реле РТФ-1М (рисунок 2). Фильтр состоит из вторичного измерительного трансформатора тока TLA и трансреактора TAV. Первичные обмотки трансформатора включены на раз­ность токов (İ_с—İ_a), а трансреактора — на разность токов (İ_b—İ_с). В трансформаторе тока ТLA вторичный ток практически совпадает по фазе с первичным, поэтому напряжение на активном со­противлении R1 совпадает по фазе с первичным током трансформатора TLA. Фаза вторичного тока в трансреакторе ТAV зависит от его вторичной нагрузки. Резисторы R1 и R2 имеют такие сопротивления, что напряжение на первом из них (İ_с—İ_a)R1 совпадает по фазе с током (İ_с—İ_a), а напряжение на втором (İ_b—İ_с)R2e ^jπ/3 опережает ток (İ_b—İ_с) (первичный ток трансреактора) на угол π/3. Абсолютные значения напряжений одинаковы. Напряжение Ů_mn на выходе фильтра равно сумме указанных напряжений. При подведении к фильтру токов прямой последовательности (рис. 2, б) напряжение Ů_mn равно нулю, поскольку векторы напряжений (İ_1с— İ_1a)R1 и (İ_1b - İ_1c) R2e ^jπ/3  противоположны по направлению.

Если на вход фильтра подать токи обратной последовательнос­ти (рисунок 2), то векторы напряжений сместятся относительно друг друга на угол π/3 и на выходе фильтра появится значительное напряжение Ů_mn=   (İ_2c— İ_2a)R1e ^–jπ/6. Таким образом, если в токах, подводимых к фильтру, содержатся составляющие прямой и обратной последовательностей, то на выходе фильтра появляется напряжение, пропорциональное только току обратной последовательности.

Рассмотренный фильтр тока обратной последовательности пре­вращается в фильтр тока прямой последовательности, если поменять местами токи на входных зажимах, например İ_b и İ_с (рисунок 2). Распространение получили также комбинированные фильтры, которые одновременно выделяют составляющие прямой и обратной последовательностей. Такой фильтр в общем случае можно получить, если расстроить фильтр тока обратной последовательности, изменяя, например, сопротивление резистора R1.

Рисунок 3 Фильтр напряжения обратной последовательности

Фильтр напряжения обратной последовательности. Напряжение обратной последовательности можно выделить с помощью фильтра напряжения обратной последовательности (ФНОП). Междуфазные напряжения Ů_ab , Ů_bc , Ů_ca , как известно, не содержат со­ставляющих нулевой последовательности. Поэтому для упрощения конструкций фильтра целесообразно включить его не на фазные, а на линейные напряжения. Наибольшее распространение получили фильтры, состоящие из резисторно-конденсаторных цепей, рас­смотренных выше.

Фильтр содержит две цепи  а и с, включенные соответственно на напряжения Ů_ab и Ů_bc . Сопротивления цепей фильтра Х_а, R_a и Х_с, R_c подбирают таким образом, чтобы при подводе к фильтру (зажимы а, b, с) междуфазных напряжений, не содержащих составляющих обратной последовательности, на его выходных зажимах (между точками m и n) напряжение U_mn было равно нулю.

(Рассмотренный фильтр можно использовать и как фильтр напряжения прямой последовательности. Для этого достаточно по­менять местами входные зажимы фильтра, например а и с.)

РЕАЛИЗАЦИЯ АКТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ

Есть два способа реализации таких фильтров: по схеме Рауха и Саллена Ки. Далее для расчета номиналов R и C используем таблицу коэффициентов полинома передаточной функции.

Фильтр Саллена Ки. Достоинства и недостатки.

Фильтр Рауха. Достоинства и недостатки.

Далее материал из презентации (основной)

Как я понял, эта схема работает по тому же принципу, что и простые (выше есть) фсс на R. C элементах, только тут сигнал на выходе ОУ увеличивается, имхо это повысит чувствительность но это не точно.

К схемам фильтр-реле предъявляют следующие требования:

• максимальная чувствительность;

• минимальное потребление, 𝐵 ∙ 𝐴;

• минимальные активные потери;

• минимальное напряжение небаланса.

Схема фильтр-реле принципиально может быть выполнена любой чувствительности при любых типах фильтра и реле. Требование определённой чувствительности, взятое изолированно, может служить основание для выбора абсолютных значений сопротивлений фильтра и для определения обмоточных данных реле, когда типы фильтры и реле уже выбраны. Однако это требование не может служить основанием для выбора типа фильтра. Для выбора типа фильтра необходимо сочетание первого и второго или первого и третьего из указанных требований.

Лишним не будет

Классы фильтров:

1. фильтры, состоящие из автотрансформатора, включённого на одно линейное напряжением, и активно-реактивного контура, включённого на два линейное напряжение;

2. фильтры, состоящие из двух активнореактивных контуров, включённых на два линейных напряжения;

3. одноплечие фильтры с активно-реактивными контурами и изменёнными значениями напряжений;

4. фильтры с взаимоиндукцией;

5. фильтры по схеме моста

В фильтрах напряжений прямой и обратной последовательности нулевая

последовательность исключалась благодаря использованию линейных

напряжений, не содержащих нулевой последовательности.

Нулевая последовательность в токах может быть исключена соединением

трансформаторов тока в треугольник.

Нулевая последовательность может быть достаточно легко исключена при

применении промежуточных трансформаторов тока.

Включение фильтра тока через промежуточные трансформаторы, вариант

𝜔1= 𝜔2

Фильтры нулевой последовательности

Во всех рассмотренных фильтрах нулевой последовательности фазы совершенно симметричны. При идентичном выполнении элементов разных фаз небаланс при приложенных величинах прямой последовательности появляется даже при отклонениях частоты от нормальной. Небаланс первой гармоники определяется исключительно неидентичностью выполнения фаз либо самого фильтра, либо измерительных трансформаторов. Кроме того, при наличии насыщения может появляться небаланс с частотой гармоник, кратной трём. В некоторых случаях на выходе фильтра нулевой последовательности ставится частотный фильтр, не пропускающий в реле небалансы высших гармоник. Для защиты от замыканий на землю, в сетях с малым током замыкания на землю, требуется весьма высокая чувствительность. В этих случаях применение обычных трансформаторов тока даёт слишком большие, неприемлемые значения небалансов, поэтому приходится применять специальные трансформаторы тока нулевой последовательности.

Реле РСН 13-1

РТФ 9

Характеристики РТФ 9