Устройство для защитного отключения изолированной от земли электрической сети
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам защитного отключения электрических сетей при повреждении их изоляции и прикосновении людей к токоведущим частям. Цель изобретения - повышение точности функционирования защиты, а также снижение фазовой погрешности и повышение быстродействия защиты. Выходное напряжение полосового фильтра 6 поступает на вход блока 13 автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока, где оно сравнивается с эталонным напряжением. Разность этих напряжений воздействует через систему управления на источник 2 оперативного тока, чем обеспечивается стабилизация напряжения на емкости защищаемой сети и, следовательно, независимость активной составляющей оперативного тока от величины этой емкости. Выходное напряжение множительного блока 9, кроме постоянной составляющей, содержит также и переменную составлжоцую, которую фильтрует фильтр 10 нижних частот. Пороговьп элемент 11 реагирует на определенное значение постоянного напряжения и при помощи блока 12 отключения отключает защищаемую сеть. 3 з.п. ф-лы, 3 ил. с СО со со о 05 00 1
СОВХОЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)4 H 02 E{ 3 17
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К д ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
flO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4078089/24-07 (22) 05.05.86 (46) 23.04.88. Бюл. К 15 (71) Ташкентский политехнический институт им. A.P Бируни и Алмалыкский горно-металлургический комбинат им. В.И. Ленина (72) В.Г. Палванов, А.И. Шамукимов и А,А. Лосевский (53) 621.316.925(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
У 543076, кл, Н 02 Н 3/ 17, 1975.
Авторское свидетельство СССР
Р 1198635, кл. Н 02 Н 3/17, 1984. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮЧЕНИЯ ИЗОЛИРОВАННОЙ ОТ ЗЕМЛИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ (57) Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам защитного отключения электрических сетей при повреждении их изоляции и прикосновении людей к токоведущим частям. Цель изобретения повышение точности функционирования
„„SU„„1 90687 А1 защиты, а также снижение фаэовой погреыности и повышение быстродействия защиты. Выходное напряжение полосового фильтра 6 поступает на вход блока
13 автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока, где оно сравнивается с эталонным напряжением. Разность этих напряжений воздействует через систему управления на источник 2 оперативного тока, чем обеспечивается стабилизация напряжения на емкости защищаемой сети и, следовательно, независимость активной составляющей оперативного тока от величины этой емкости. Выходное напряжение множительного блока 9, кроме постоянной составляющей, содержит также и переменную составляющую, которую фильтрует фильтр 10 нижних частот. Пороговый элемент 11 реагирует на определенное значение постоянного напряжения и при помощи блока 12 отключения отключает защищаемую сеть. 3 з.п. ф-лы, 3
1390687
Изобретение относится к устройствам для защитного отключения изолированных от земли электрических сетей переменного и постоянного тока, а также комбинированных сетей переменно-постоянного тока при снижении со-" противления их изоляции, в том числе при прикосновении человека к токоведущим элементам сети. t0
Цель изобретения — повышение точности функционирования защиты, а также снижение фазовой погрешности и повышение быстродействия защиты.
На фиг.1 приведена функциональная . схема предлагаемого устройства на фиг.2 — схемы источника оперативного тока и блока автоматического регулирования выходного напряжения источни- 20 ка оперативного тока. „ на фиг.3 — - диаграммы напряжений элементов схемы устройства, поясняющие его работу.
Устройство содержит последовательно соединенные фильтр 1 присоединения,>5 источник 2 оперативного тока и резисторный шунт 3, включенные между защищаемой сетью 4 и землей S, два полосовых фильтра 6 и 7, формирователь
8 прямоугольного напряжения, множительный блок 9, фильтр 10 нижних частот, пороговый элемент 11 блок
12 отключения защищаемой сети, блок
13 автоматического регулирования выходного напряжения источника опера- 35 тивного тока, резистором 14 обозначено активное сопротивление R изоляции сети, а конденсатором 15 — емкость С сети.
Схема источника 2 оперативного д0 тока (фиг.2) содержит трансформатор
16, транзисторы I7 н 18 и-р-п-типа и транзистор 19 р-п-р-типа, диод 20, резисторы 2.1-24 и источник 25 постоянного напряжения. 45
Блок 13 автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока содержит формирователь 26 импульсов промышленной частоты, узел 27 выпрямления, фильтр 28 нижних частот,, счетный триггер 29, логические элементы И-НЕ 30 и 31, логический элемент НЕ 32 и узел 33 регулируемой временной задержки. Последний содержит логический элемент
И-НЕ 34, логический элемент НЕ 35, конденсатор 36, регулирующий транзистор 37, резисторы 38 и 39 и источник
40 постоянного напряжения смещения.
U = K U> = К С2 U>sinuоt,(1) где К вЂ” коэффициент .передачи полосового фильтра 6 на резонансной частоте;
U — действующее напряжение на
1 емкости. С защищаемой сети; и,=271, — круговая частота выбранной гармоники оперативного напряжения.
Ф
Синусоидальное напряжение с выхода фильтра 6 преобразуется формирователем 8 в прямоугольное напряжение, описываемое уравнением (2) Н„, Оеиt ь;
Нл Второй полосовой фильтр 7 подключен к резисторному шунту 3, имеющему сопротивление К . Напряжение на шунте 3 пропорционально току i, равному сумме токов, протекающих через резистор 14 и конденсатор 15. U, = R i = 12 I R sin(ca,с+ср ) (3) где у — угол сдвига тока относи1 Ч тельно напряжения U Напряжение на выходе полосового фильтра 7 Устройство работает следующим образом. Выходное напряжение источника 2 оперативного тока имеет прямоугольную форму и основную частоту, которая вдвое меньше промышленной частоты, т.е. равна 25 Гц. Такое напряжение прямоугольной формы содержит только нечетные гармоники (75,125, 175 и т.д.) одна из которых исполь" У зуется в качестве напряжения оперативного тока (например, гармоника, имеющая частоту 75 Гц). На частоту f, этой гармоники настраиваются полосовые фильтры 6 и 7, выходные сигналы которых имеют неискаженную синусоидальную форму выбранной для оперативного тока частоты. Так как первый полосовой фильтр 6 подключен меж- ° ду защищаемой сетью 4 и землей 5, его вьЫодное напряжение пропорционально падению напряжения U на кон-. 3 денсаторе 15 (т,е. на емкости С защищаемой сети). 1390687 UUйиt I r,du,t 1йос URK I cosp Л 1 Так как активная ка I Т,ц = Т, соз91 составляющая то- !О U = K,x,= +27 R K,s n(u,с+р„), (4) ! где К вЂ” коэффициент передачи полосового фильтра 7 на резонанс5 ной частоте. среднее значение выходного напряже- 15 ния множительного блока 9 можно пред.ставить 2 Г2 242 U Ц = — — URK Icos(l* *URK -й. h ю 1 $1 h ь> 1 р ф (5) 20 Выходное напряжение множительного блока 9, кроме постоянной составляющей (5), содержит также переменную составляющую, которая не должна поступать на вход порогового элемента 11. Поэтому между множительным блоком 9 и пороговым элементом 11 включен фильтр 10 нижних частот (выполняющий функцию сглаживающего устройства). Пороговый элемент 11 реагирует на определенное значение постоянного напряжения и при помощи блока 12 отключения осуществляет отключение защи-, щаемой сети. Из выражения (5) видно, что выход- 35 ное напряжение множительного блока 9 и, следовательно, срабатывание защитного устройства зависит только от сопротивления R изоляции защищаемой сети при условий, что напряжение U в процессе эксплуатации остается неизменным. Стабилизация этого напряжения осуществляется при помощи блока 13 автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока. Система автоматического регулирования работает следующим образом. Выходное напряжение полосового фильтра 6, пропорциональное напряжению U поступает на вход блока 13, где оно сравнивается с эталонным напряжением. Разность этих напряжений, т.е. сигнал рассогласования, воздействует через систему управле- 55 ния на источник 2 оперативного тока, вызывая изменение его выходного напряжения до тех пор, пока напряжение Выходное напряжение множительного блока 9 пропорционально произведению поступающих на его входы напряжений Ц (2) и И, (4), при этом среднее 8 значение выходного напряжения L1 не станет равным заданному значению. Система автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока может быть BblIIQJI нена различными способами, На фиг.2 приведен пример конкретного выполнения схемы источника 2 оперативного тока и блока 13 автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока, Выходное напряжение источника 2 прямоугольной формы получается путем поочередного подключения при помощи транзисторов 17-19 двух первичных полуобмоток трансформатора 16 к источнику 25 постоянного напряжения. Регулирование выходного напряжения источника 2 осуществляется путем изменения скважности его прямоугольных импульсов при помощи транзистора 19 ° Транзисторы 17 и 18 обеспечивают поочередное подключение полуобмоток трансформатора к источнику питания, а также служат для закорачивания этих полуобмоток на интервалах времени, когда транзистор 19 заперт, чтобы исключить появление выбросов напряжения на обмотках трансформатора. Система управления транзисторами 17-19 работает следующим образом. На вход формирователя 26 подается нанапряжение промышленной частоты (фиг.3, диаграмма U ), à íà его выходе получаются узкие импульсы нулевого уровня (фиг.3 диаграмма U ). Эти импульсы поступают на вход счетного триггера 29, вызывая его периодическое переключение, и на вход узла 33 регулируемой временной задержки. При поступлении очередного такого импульса на вход логического элемента И-НЕ 34 íà его выходе появляется единичный сигнал, который через конденсатор 36 поступает на вход логического элемента НЕ 35. На выходе этого элемента при этом появляетI ся сигнал нулевого уровня, который, поступая на второй вход логического 1390687 элемента И-НЕ 34„поддерживает на его выходе единичный сигнал. Конденсатор 36 под действием выходного напряжения логического элемента И-НЕ 34 пос5 тепенно заряжается, причем скорость его заряда может регулироваться транзистором 37. По мере заряда конденсатора,36 напряжение на входе логического эле- 10 мента НЕ 35 снижает< я, и при некотором его значении этот элемент, а вместе с ним и логический элемент И-НЕ 34, возвращается в исходное состояние (фиг.3 диаграммы напряжений и U на выходах элементов 34 и 35) . При появлении на выходе узла ЗЗ регулируемой временной задержки (т.е. на выходе логического элемента IE 35) сигнала нулевого уровня от- 20 пирается транзистор 19 под действием тока, протекающего по цепи эмиттербаза этого транзистора — резистор 24коллектор этого транзистора. При положительном напряжении на выходе 25 узла 33 транзистор 19 запирается. Система управления транзисторами 17 и 18 построена на триггере 29 и логических элементах 30-32 так, что эти транзисторы большую часть периода 30 открыты и запираются по очереди лишь при отпирании тран= èñòîðà 19. Работу этой части схемы поясйяют диаграммы выходных напряжений (фиг.3) триггера 29 (U > и U <) и логических элементов 30-32 (U,, U„, U„) . Величина временной задержки узла 33 и, следовательно, скважность прямоугольных импульсов выходного напряжения источника 2 регулируется при 40 помощи транзистора 37, на базу которого подаются два напряжения: напряжение смещения (эталонное напряжение) от источника 40 постоянного напряжения смещения и напряжение с выхода 45 первого полосового фильтра 6, предварительно выпрямленное при помощи узла 27 выпрямления и отфильтрованное фильтром 28 нижних частот„ Если на пряжение на выходе полосового фильтра 6 по какой-либо причине возраста" ет, это приводит к увеличению выпрямленного напряжения на выходе узла 27 и тока перехода база"эмиттер транзистора 37. Транзистор при этом приоткры55 вается, в результате чего ускоряется заряд конденсатора Зб и уменьшается время задержки, создаваемое узлом 33. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению длительности интервала проводимости транзистора 19 и соответствующему уменьшению ширины прямоугольных импульсов выходного напряжения источника оперативного тока. При изменении скважности импульсов этого напряжения (фиг.З, диаграмма U,„ ) изменяются амплитуды всех его гармо-т нических составляющих. Разлагая кривую этого напряжения в ряд Фурье, получают выражение, определяющее действующее значение его гармоник 42 U,„. К U sin — — (6) о(к) К 2 -порядковые номера гармоник (их кратность по отношению к основной частоте, равной 25 Гц), U u P — соответственно вы оп сота и угловая ширина прямоугольных импульсов выходного напряжения источника. При К = Э (f; — 75 Гц) выражение (6) принимает вид -Г2 U,„ . 3 2 U . 3yts U =- — - " ° sin -- = — — - sin — —— шц ЗТ 2 Зт 2 (7) гдето „= 2 f Ä - круговая частота основной гармоники (25 Гц); — временная продолжительность импульсов прямоугольного напряжения. Из выражения (7) видно, что при изменении продолжительности Р импульсов прямоугольного напряжения от 60 до нуля напряжение гармоники 75 Гц изменяется от максимального значения до нуля. Максимальному знао чению =60 соответствует максимальное время задержки, создаваемое узлом 33 и равное t >r<= 6,67 10 (с Такую задержку узел 33 должен создавать при минимальном токе перехода база — эмиттер транзистора 37 ° При полном отпирании последнего время задержки уменьшается практически до нуля ° при этом и напряжение гармоники 75 Гц на выходе источника опе1390687 ративного тока становится близким к нулю. При точной настройке полосовых фильтров создаваемый ими фазовый сдвиг проходящего через них сигнала равен нулю. Однако практически всегда имеет место некоторая расстройка фильтров или отклонение частоты полезного сигнала от заданного значения. Чтобы возникающий при этом фазовый сдвиг выделяемых полосовыми фильтрами 6 и 7 сигналов не оказывал влияния на величину выходного напряжения (5) множительного блока, указанные фильтры следует выполнять идентичными. В этом случае фазовые сдвиги сигналов на выходах этих фильтров одинаковые, поэтому разность фаз этих сигналов, т.е. угол q, не 20 зависит от этих фазовых сдвигов. Резонансную частоту фильтров 6 и 7 следует принимать выше основной частоты оперативного тока, равной 25 Гц, так как с повышением частоты снижается 25 время запаздывания, создаваемое фильтрами 10 и 28 нижних частот (сглаживающими фильтрами), т.е. повышается быстродействие защиты. Так как выходное напряжение источника оперативного тока содержит только нечетные гармоники, полосовые фильтры должны настраиваться на частоту, которая в нечетное число раз больше основной частоты. Практически эту частоту целесообразно принять равной 75 или 125 Гц, так как при дальнейшем повышении частоты активная составляющая оперативного тока оказывается весьма малой по сравнению с полным значением 4О этого тока, а это ведет к снижению точности функционирования защиты. В качестве полосовых фильтров и фильтров нижних частот целесообразно использовать активные RC-фильтры. В качестве множительного блока может быть использован любой перемножитель аналоговых сигналов в интегральном исполнении или интегральный дифференциальный усилитель с выведенным входом генератора стабильного тока. формирователь прямоугольных импульсов, узел выпрямления и пороговый элемент целесообразно выполнить на основе интегральных операционных усилителей, а в качестве формирователя импульсов 55 промышленной частоты можно использо- вать двухкаскадный транзисторный усиусилитель с конденсаторной связью между каскадами и транзисторами, работающими в режиме переключения. Предлагаемое техническое решение позволяет создать защитное устройство, отличающееся высокой помехозащищенностью и точностью функционирования, а также простотой схемы и высоким быстродействием. Формула и з обретения 1 ° Устройство для защитного отключения изолированной от земли электрической сети, содержащее последовательно соединенные фильтр присоединения к сети, источник оперативного тока ненепромышленной частоты и реэисторный шунт, соединенный с клеммой для заземления, формирователь прямоугольного напряжения, множительный блок, а также соединенные последовательно пороговый элемент и блок отключения защищаемой сети, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности функционирования защиты, в него дополнительно введены два полосовых фильтра, фильтр нижних частот и блок автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока, при этом входные выводы первого полосового фильтра соединены с клеммами для подключения между сетью и. землей, вход второго полосового фильтра подключен к резисторному шупту, первый вход множительного блока подключен через формирователь прямоугольного напряжения к выходу первого полосового фильтра, а его второй вход — к выходу второго полосового фильтра, вход порогового элемента подключен через фильтр нижних частот к выходу множительного блока при этом > вход блока автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока соединен с выходом первого полосового фильтра, а выход— с входом управления источника оперативного тока непромышленной частоты. 2, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что источник оперативного тока выполнен на выходном трансформаторе, двух транзисторах п-р-п-типа, одном транзисторе р-п-р-типа, диоде, четырех резисторах и источнике постоянного напряжения, а блок. автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока выполнен на 1390687 fO формирователе импульсов промышленной частоты, синхронизированного напряжением сети переменного тока, узле выпрямления, фильтре нижних частот, счетном триггере, двух двухвходовых элементов И-НЕ, элементе НЕ и узел регулируемой временной задержки, при этом эмиттеры всех трех транзисторов и анод диода подключены к общей 10 точке схемы устройства, коллекторы двух транзисторов и-р-п-типа подключены соответственно к началу и концу первичной обмотки выходного трансформатора, вывод средней точки которой 15 соединен с катодом диода и плюсовым зажимом источника постоянного напряжения, коллектор транзистора р-п-ртипа соединен с минусовым зажимом этого источника, с базами указанных 20 транзисторов соединены последовательно соответственно первый, второй и третий резисторы, а. четвертый резистор включен между коллектором и базой транзистора р-п-р-типа, причем другие 25 выводы указанных трех резисторов соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И-НЕ и выходом узла регулируемой временной задержки, вхоД которой подключен через 30 фильтр нижних частот к узлу выпрямления, вход счетного триггера подключен к выходу формирователя импульсов промышленной частоты, а его прямой и инверсный выходы соединены соответ- З5 ственно с первыми входами первого и второго двухвходовых элементов И-НЕ, вход элемента НЕ подключен к выходу узла регулируемой временной задержки, а его выход соединен с вторыми входами указанных элементов И-НЕ, выход формирователя импульсов промышленной частоты подключен также к входу синхронизации узла регулируемой временной задержки. 3. Устройство по пп.l и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что узел регулируемой временной задержки выполнен на элементе И-НЕ, элементе НЕ, конденсаторе, регулирующем транзисторе п-р-п-типа, источнике постоянного напряжения смещения и двух резисторах, при этом один из входов элемента И-НЕ подключен к входу синхронизации узла регулируемой временной задержки, а второй — к выходу элемента НЕ, вход которого подключен к коллектору регулирующего транзистора и через конденсатор к выходу элемента И-НЕ, база регулирующего транзистора подключена через первый резистор к источнику постоянного напряжения смещения и через второй резистор к входу узла регулируемой временной задержки, а эмиттер этого транзистора соединен с общей точкой схемы устройства. 4. Устройство по пп.1-3, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения фазовой погрешности и повышения быстродействия защиты, полосовые фильтры выполнены с резонансной частотой, в нечетное число раз превышающей основную частоту напряжения источника оперативного тока. 1390б87! 390687 Составитель Л. Васькова Техред М.Дидык Корректор В. Бутяга Редактор И. Горная Закаэ 1775/50 Тираж 650 Подписное ВНИИПИ 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
