Устройство для защиты однофазной электрической сети переменного тока от коротких замыканий

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к устройствам для защиты электрической сети от токов короткого замыкания. Целью изобретения является повьшение быстродействия защиты. Для этого в устройство дополнительно введены генератор эталонного синусоидального тока , 5, два блока выделения приведенной производной 2 и 4, селекторы 12 и 11 сигналов положительной и отрицательной полярностей, логический элемент И 10 и логический элемент ИЛИ 13. Это позволяет практически мгновенно определять начало режима короткого замыкания , независимо от того, в какой момент и на каком участке - восходящей или нисходящей ветви синусоиды рабочего тока сети возникло короткое замыкание. 4 з.п. ф-лы, 2 ил. S (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

21 А1 (19) (11) (51) 1 Н 02 Н 3/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

) /

era фквю чение

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ

Н А BTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 383 1899/24-07 (22) 25. 12.84 (46) 07.01.8.7. Бюл. ))- 1 . (72) Л. H. Карпиловский, Е.Я. Байко и В.З.Васютин (53) .621.316.925(088.8) (56) Кузнецов Р.С. Аппараты распределительных устройств низкого напряжения. М. — Л: Госэнергоиздат, 1962, с. 138-145.

Авторское свидетельство СССР

)) 1061208, кл. Н 02 Н 3/08, 1982. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОДНОФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО

ТОКА ОТ КОРОТКИХ ЗА11ЫКАНИЙ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для защиты электрической сети от токов короткого замыкания ° Целью изобретения является повышение быстродействия защиты. Для этого в устройство дополнительно введены генератор эталонного синусоидального тока

5, два блока выделения приведенной производной 2 и 4, селекторы 12 и 11 сигналов положительной и отрицательной полярностей, логический элемент

И 10 и логический элемент ИЛИ 13. Это позволяет практически мгновенно определять начало режима короткого замыкания, независимо от того, в какой момент и на каком участке — восходящей или нисходящей ветви синусоиды рабочего тока сети возникло короткое замыкание. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1282251

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для защиты электрической сети от токов короткого замыкания.

Целью изобретения является повыше- g ние быстродействия защиты.

На фиг. 1 представлена функциональная схема одной из возможных реализаций устройства; на фиг.2 — пример реализации блока запоминания максимальных значений.

Датчик 1 тока через блок 2 вьщеления приведенной производной соединен с первым входом сравнивающего блока

3, второй вход которого через блок 4 выделения приведенной производной соединен с выходом генератора (формирователя) 5 эталонного синусоидального тока, вход которого через синхронизатор 6 соединен с выходом датчика

1 тока. Выход синхронизатора 6 соединен непосредственно с первым входом логического элемента ИЛИ 7, а через последовательно соединенные одновибратор 8 и выключатель 9 — с вторым

25 входом логического элемента ИЛИ 7, выход которого соединен с вторым входом логического элемента И 10. Первый вход логического элемента И 10 через селектор 11 сигналов отрицательной по-З0 лярности соединен с выходом сравнивающего блока 3 и входом селектора 12 сигналов положительной полярности, выход которого соединен с вторым входом логического элемента ИЛИ 13 вы- 35 ход которого через ключ 14 соединен с управляемым входом исполнительного органа 15, а первый вход — с входом логического элемента И 10. Управляемый вход ключа 14 через одновибратор

16 соединен с выходом задатчика команд на включение нагрузки (на фиг.2 не показан, чтобы не затруднить восприятие) °

4S

Блок 2 выделения приведенной производной содержит блок 17 дифференцирования, блок 18 запоминания максимальных значений, блок 19 деления.

Входы блока 17 дифференцирования и блока 18 запоминания максимальных значений являются входом acего блока

2 вьщеления приведенной производной.

Выход же блока 2 является выходом блока 19 деления, первый вход которого соединен с выходом блока 17 дифференцирования, а второй вход — с выходом блока 18 запоминания максимальных значений.

Блок 4 вьщеления приведенной производной содержит блок 20 дифференцирования, блок 21 запоминания мак— симальных значений, например пиковый детектор, и блок 22 деления. Входы блока 20 дифференцирования и блока

21 запоминания максимальных значений соединены с входом всего блока 4 выделения приведенной производной.

Выход же этого блока 4 является выходом блока 22 деления, первый вход которого соединен с выходом блока 20 дифференцирования, а второй — с выходом блока 2 1 запоминания максимальных значений.

Генератор (формирователь) 5 эталонного синусоидального тока состоит из последовательно соединенных формирователя 23 импульсов (при необходимости), триггера 24 со счетным вхо— дом, конденсатора 25, фильтра 26 и фазовращателя 27, причем вход формирователя 23 импульсов является входом генератора 5, выход фазовращателя 27 — его выходом.

Блок 18 запоминания максимальных значений, находящийся в канале измерения тока в сети, содержит (фиг. 2) два элемента 28 и 29 запоминания, два нуль-органа 30 и 31, два элемента 32 и 33 задержки, инвертор 34 полярности (при необходимости) и четыре диода 35-38, причем вход блока 18 запоминания максимальных значений через диод 35 соединен с первым входом элемента 28 запоминания, первым входом нуль-органа 30 и через элемент

32 задержки с вторым входом нуль-органа 30. Выход нуль-органа 30 соединен с вторым входом (входом возврата в исходное состояние) элемента 29 запоминания. Первый вход элемента

29 запоминания через инвертор 34 полярности соединен также через диод

36 с входом всего блока 18 запоминания максимальных значений, а через элемент 33 задержки с вторым входом нуль-органа 31, выход которого соединен с вторым входом (входом возврата в исходное состояние) элемента

28 запоминания., Выход элемента 28 запоминания через диод 37 и выход элемента 29 запоминания через диод 38 соединены с выходом блока 18 запоминания максимальных значений.

Устройство работает следующим образом.

3 1282

С датчика 1 тока на синхронизатор

6 поступает информация о токе в сети, в частности о переходах тока в сети через нуль. В моменты перехода тока в сети через нуль на выходе .синхронизатора 6 появляется сигнал, который поступает в генератор (формирователь) 5 эталонного синусоидального тока на вход формирователя 23 импульсов. Этот сигнал используется для 10 формирования импульса необходимой амплитуды и крутизны фронтов, который с выхода формирователя 23 импульсов поступает на счетный вход триггера

24, формирующего однополярную импульсную последовательность со скважностью, равной двум.

Эта однополярная импульсная последовательность через конденсатор

25 (в результате чего исключается 20 постоянная составляющая и последовательность становится двухполярной) подается на фильтр 26, рассчитанный на выделение основной частоты, которой является рабочая частота сети.

После фильтра 26 синусоидальный сигнал проходит через фазовращатель

27, с помощью которого компенсируется фазовый сдвиг между сформированным синусоидальным током и током в 30 сети, который мог возникнуть при формировании указанного синусоидального тока.

При этом компенсирующий фазовращатель 27 настраивается один раз перед вводом в эксплуатацию устройства.

Одновременно с поступлением на вход блока 5 сигнал с выхода синхронизатора 6 поступает на первый вход 40 логического элемента ИЛИ 7, с выхода которого сигнал поступает на второй вход логического элемента И 10.

Если в этот момент на первый вход логического элемента И 10 поступает 45 сигнал с выхода селектора 11 сигналов отрицательной полярности, несущий информацию о том, что в этот момент приведенная (относительная) крутизна тока в сети стала ниже приве- 50 денной (относительной) крутизны эталонного синусоидального тока, то на выходе логического элемента И 10 появится сигнал, который через логический элемент ИЛИ 13 поступит на информационный вход размыкающего ключа 14. В случае, если на управляемом входе размыкающего (нормальнозамкнуг того) ключа 14 отсутствует сигнал от

251 4 одновибратора 16, запущенного по команде от задатчика команд на включение нагрузки, то сигнал, поступивший на информационный вход ключа 14, пройдет на его выход, откуда постуIIHTi на управляемый выход исполнительного органа 15, который отключит дефектный участок сети. В момент включения (отключения) нагрузки на вход одновибратора 16 поступает команда от задатчика команд на включение (и отключение) нагрузки, которая переводит одновибратор 16 в неустойчивое состояние.

В -результате этого ключ 14 размыкается, цепь управления исполнительным органом разрывается. Таким обра зом, исключаются ложные срабатывания исполнительного органа 15 от пусковых токов и изменения величины рабочего тока при выключении одной из нагрузок, если количество их в защищаемой зоне превышает одну.

В точке перехода через нуль или зоне перехода через нуль показателем начала режима короткого замыкания является установление факта превышения крутизной эталонного синусоилального тока крутизны тока в сети.

В этом случае полярность сигнала рассогласования на выходе сравнивающего блока 3 такова, что срабатывает селектор 11 сигналов отрицательной полярности, и на его выходе появляется сигнал, поступающий на первый вход логического элемента И 10.

Если сигнал, несущий информацию о крутизне нарастания тока в сети, поступающий на второй вход сравнивающего блока 3, по абсолютной величине больше, чем сигнал, несущий информацию о крутизне нарастания тока генератора 5 эталонного синусоидального сигнала, поступающего на первый вход сравнивающего блока 3, то сигнал на выходе сравнивающего блока 3 имеет положительную полярность, в противном случае сигнал на выходе указанного элемента имеет отрицательную полярность. При равенстве сигналов, поступающих на входы сравнивающего блока 3 ° сигнал íà его выходе равен нулю.

Для расширения времени сравнения крутизны рабочего и эталонного токов служит цепочка, состоящая из одновибратора 8 и выключателя 9. Если выклю5 128225 чатель 9 находится во включенном состоянии, время пребывания одновибратора 8 в неустойчивом состоянии расширяет временную зону использования результатов сравнения сигналов о кру- : тизнах рабочего и эталонного токов.

Вне указанных зон (зоны перехода тока через нуль или расширенной одновибратором 8 зоны использования " в зависимости от того включен или 10 выключен выключатель 9) указателем начала режима короткого замыкания является превышение крутизной тока в сети крутизны эталонного синусоидального тока,. 15

В этом случае по сигналу рассогласования с выхода сравнивающего блока 3 (который будет на выходе иметь в этом случае сигнал положительной полярности) сработает селек- 20 тор 12 сигналов положительной полярности, который выдаст сигнал на вто— рой вход логического элемента ИЛИ

13. С выхода элемента ИЛИ 13 этот сигнал через ключ 24 (который замкнут при отсутствии команды на включение и отключение нагрузки) поступит на управляемый вход исполнительного органа 15, который отключит поврежденный участок сети. Ю

Введение операции сравнения приведенных (нормированных, относительных) производных вызвано следующими причинами.

Обычно для сравнения крутизны двух 35 процессов непосредственно в результате их дифференцирования необходимо предварительно уравнить их экстремальные значения (диапазоны изменения их величин), что связано с большими 40 сложностями, а в ряде случаев и просто невозможно, если (как это имеет место в электрической сети) ток контролируемого участка изменяется в широких пределах в нормальных (неава- 45 рийных) условиях. Кроме того,.подобное уравнивание, т.е. подгонка эталонного тока к необходимой величине, связана с дополнительными временными затратами, что помешало бы быстродей- 50 ствию защиты.

Для исключения указанных недостатков вводятся операции (и соответствуюшие блоки) дифференцирования ве- 55 личины, пропорциональной току в сети, . и эталонного тока, запоминание их амплитудных (максимальных) значений и делание указанных продифференцирован1 6 ных величин на амплитудные (максимальные) значения каждого из сравниваемых процессов с последующим сравнением частных от деления между собой.

В этом случае исключается погрешность, обусловленная различием диапазонов изменения исследуемых токов, т.е. неравенством амплитудных (макси мальных) значений сравниваемых токов.

Если

di d — — I sin(ut +q)

dt dt

= uI cos(Ut + (р ), где I — - амплитудное значение тока;

И вЂ” угловая частота; — время; начальный угол, то при определении приведенной (нор— мированной, относительной) производной путем деления продифференцированной величины на амплитудное значение будем иметь

di

dt 43I cos(4)t +(g )

К—

I I

= у с о s (И t + (f ) .

Таким образом, величина К будет численно характеризовать крутизну исследуемого процесса, с размерностью 1/с.

Такое сравнение обладает несравненным преимуществом, давая возможность сравнивать крутизны (и их изменения) различных (даже по природе) процессов.

Указанные операции выполняются с помощью блоков 2 и 4 выделения приведенной крутизны и сравнивающего блока 3, полярность сигнала на выходе которого определяется тем, какая из сравниваемых крутизн в момент сравнивания больше по абсолютной величине..

С целью повышения достоверности измерения за счет исключения или снижения вероятности ложных срабатываний при уменьшении тока в силу причин, не связанных с возникновением режима короткого замыкания, например отключением одной из нагрузок фидера, с помощью которого энергия подводится к нескольким нагрузкам, блок выделения приведенной производ- ной, находящийся в канале измерения рабочего тока в защищаемой электри7 1282 ческой сети (блок 2) выполняется указанным образом.

Принцип его работы заключается в том, что через каждые полпериода сетевого напряжения предшествующее мак- 5 симальное значение тока в сети (экстремальное) с одного элемента запоминания стирается (он возвращается в исходное состояние), а на другом элементе запоминания записывается. Та- 10 ким образом, через каждые полпериода происходит уточнение существующего в сети максимального значения тока.

Поэтому, когда на входе одновибратора 16 появляется команда (или ин- 15 формация о команде) на включение или отключение нагрузки, и одновибратор

16, переходя в неустойчивое состояние, разрывает с помощью размыкания ключа 14 цепь управления исполнитель- 2р ного органа 15 (на время пребывания одновибратора 16 в неустойчивом состоянии), за это время записанная в блоке 18 запоминания максимальная . величина тока в сети заведомо успе- 25 ет уточниться в ту или иную сторону, и когда цепь управления исполнительного органа 15 замыкается, то возможность прохождения по ней ложного сигнала (из-за уменьшения величины 3р рабочего тока в сети) будет фактически исключена.

Работает блок 18 запоминания максимальных значений следующим образом. g5

Напряжение, пропорциональное току в сети, с выхода датчика 1 тока непрерывно поступает на вход блока 2 выделения приведенной производной, а в ней на вход блока 18 запоминания 4р максимальных значений. При этом положительная полуволна указанного напряжения через диод 35 поступает на вход элемента 28 запоминания, на первый вход нуль-органа 30 и через эле- 45 мент 32 задержки на второй вход нульоргана 30. Элемент 32 задержки и нульорган 30 совместно выполняют функцию определения экстремума сигнала, поступившего на вход блока 18 запомина- 5р ния. В момент достижения максимального (экстремального) значения положительной полуволны поступающего напряжения максимум этого напряжения записывается на элементе 28 запомина- 55 ния и одновременно импульсный сигнал с выхода нуль-органа 30 поступает на второй вход элемента 29 запоминания, переводя его в исходное

251

8 состояние. Сигнал же с выхода элемента 28 запоминания в качестве сигнала, пропорционального максимальному значению тока в сети, поступает через развязывающий диод 37 на выход блока 18 запоминания максимальных значений в течение промежутка времени от положительного максимального значения, т.е. в течение полупериода.

При начале отрицательной лолуволны напряжение, поступающее на вход блока 18 запоминания максимальных значений, через диод 36 поступает уже на первый вход нуль-органа 31, элемент 33 задержки, на второй вход нуль-органа 31 и через инвертор 34 полярности с коэффициентом передачи амплитуды, равным единице, на элемент 29 запоминания.

Элемент 33 задержки и нуль-орган

31 также, как элемент 32 задержки и нуль-орган 30, совместно выполняют функцию нахождения экстремума, но отрицательной полуволны поступающего на вход блока 18 запоминания напряжения. В момент достижения экстремума отрицательной полуволной на выходе нуль-органа 31 появляется импульсный сигнал, который, поступая на второй вход элемента 28 запоминания, переводит его в исходное состояние, а на выходе элемента 29 запоминания остается и запоминается максим мальное значение, пропорциональное максимальному значению тока в сети, которое и поступает через развязывающий диод 38 на выход всего блока 18 запоминания максимальных значений..

Это значение присутствует на выходе блока 18 запоминания также в течение полупериода частоты сети. Далее циклы повторяются.

Предлагаемое изобретение обеспечивает непрерывное присутствие на выходе блока 18 запоминания сигналов, пропорциональных максимальным значе-. ниям тока в сети, .так как через pasвязывающий диод 37 (или 38) всегда протекает ток от максимального сигнала в любой данный момент времени, запирающий другой из этих диодов.

Поэтому несмотря на то, что элементы 28 и 29 запоминания являются элементами аналогового запоминания и в течение второй четверти периода каждого очередного полупериода на выходах обоих элементов 28 и 29 заломинания одновременно присутствуют

Введение. уставки переменной крутизны — генератора (формирователя) 5 !и эталонного тока дает возможность повысить быстродействие защиты, так как позволяет практически мгновенно выделять начало режима короткого замыкания независи о от того в какой момент на каком участке восходящей и нисходящей ветви синусоиды рабочего тока сети возникло короткое замы-:. кание.

20 изобретения

Формула

1. Устройство для защиты однофазной электрической сети переменного тока от коротких замыканий, содер- 25 жащее датчик тока, включаемый в защищаемую сеть, выход датчика тока соединен с входом синхронизатора, выход которого соединен с первым входом первого логического элемента ИЛИ Зр непосредственно, а с вторым его входом через последовательно соединенные первый одновибратор и выключа"тель, управляемый вход исполнительного оРгана подключен к выходу ключа, З5 второй одновибратор, логический элемент И, первый выход которого соединен с выходом первого логического элемента ИЛИ, блок сравнения, о т— л и ч л ю щ е е с я тем, что, с це- 4 лью повышения быстродействия защиты, дополнительно введены генератор эталонного синусоидального тока, два блока выделения приведенной производной, селектор сигналов положитель- 4 ной полярности, селектор сигналов отрицательной полярности, второй логический .элемент ИЛИ, при этом точка соединения выхода синхронизатора, входа первого логического элемента О

ИЛИ и входа первого одновибратора соединена с входом генератора эталонного синусоидального тока, выход которого через первый блок выделения . приведенной производной подкдючен к первому входу блока сравнения, точка соединения выхода датчика тока и входа синхронизатора через второй блок выделения приведенной производной

9 128225 напряжения (на одном — соответствующие максимальному, а на другом — ме-:, няющиеся в течение указанной четверти периода от минимального до максимального), на выход блока 18 запоминания поступает только одно максимальное напряжение. l !О подсоединена к второму входу блока сравнения, выход блока сравнения через селектор сигналов отрицательной полярности подключен к второму входу логического элемента И, этот же выход через селектор сигналов положительной полярности соединен с вторым входом второго логического элемента

ИЛИ, первый вход которого подключен к выходу логического элемента И, управляемый вход ключа через второй одновибратор подсоединен к выходу задатчика команд на включение, а выход второго логического элемента ИЛИ подключен к информационному входу ключа.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что блок выделения приведенной производной содержит блок дифференцирования, блок запоминания максимальных значений, блок деления, причем вход всего блока выделения приведенной производной через блок дифференцирования соединен с первым входом блока деления, а через блок запоминания максимальных значений — с вторым входом блока деления, выход которого является выходом всего блока выделения приведенной производной.

3. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что генератор эталонного синусоидального тока выполнен в виде последовательно соединенных формирователя импульсов, триггера со счетным входом, конденсатора, фильтра и фазовращателя, при этом. вход формирователя импульсов является входом генератора эталонного синусоидального тока, а выход фазовращателя — его выходом.

4. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что синхронизатор выполнен в виде нуль-органа, первый вход которого является входом синхронизатора, второй вход заземлен, а выход — выходом синхронизатора.

5. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что, с целью повышения достоверности защиты - за счет исключения ложных срабатываний, блок запоминания максимальных значении содержит два элемента запоминания, два нуль-органа, два элемента задержки, инвертор полярности и четыре диода, при этом вход блока запоминания максимальных значений через первый диод соединен с первым входом первого элемента запоминания, первым входом первого нуль-органа и через

1282251 12 первый элемент задержки с вторым держки — с вторым входом второго входом (входом возврата в исходное нуль-органа, выход которого соедисостояние) второго элемента запоми- нен cci вторым входом (входом вознания„ первый вход которого соеди- - врата в исходное состояние) первого нен с выходом инвертора полярности, 5 элемента запоминания, выход которовход которого соединен с первым вхо- го через третий диод, также как и дом второго нуль-органа, непосред- выход второго элемента запоминания ственно, через второй диод, включен- через четвертый диод, включенный согный обратно первому диоду, со входом ласно с третьим диодом, соединен с блока запоминания максимальных зна- 10 выходом блока запоминания максимальчений, а через второй элемент за-,ных значений.

&а7у ока 1У

Составитель К.Шилан

Редактор С.Патрушева Техред А.Кравчук Корректор С.Шекмар

Заказ 7280/54 Тираж 619- Подписное

BHHKIH Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул.Проектная, 4