Устройство для защиты электрической сети от повреждений

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических сетей с регулируемым электроприводом . Целью изобретения является повышение точности защиты от утечек тока на землю при изменении емкости сети При включении питания генератор оперативного напряжения 1 подключается к жилам контролируемой сети через ключ 5 на время, определяемое формирователями. По параметрам оперативного напряжения блоком интегрирования 6, блоком памяти 8 вычисляется величина оперативного тока, блоком перемножения 29, блоком уставок 28 вычисляется емкостная составляющая сопротивления утечки, блоком деления 24 вычисляется комплексное сопротивление утечки, блоками квадратов 31. 32. сумматором 26, блоком извлечения квадратного корня 33 вычисляется активная составляющая сопротивления утечки В случае превышения оперативным током величины уставки порогового элемента 20, соответствующей короткому замыканию, или превышения величины активной составляющей уставки порогового элемента 21, срабатывает исполнительный блок 38. в результате источник 37 отключается а блок индикации 15 указывает причину аварийного отключения 1 ил с/ С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 02 Н 3/08 3/17

ГОСУДАРСТВЕ ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1573497 (21) 4650262/07 (22) 13.02.89 (46) 15,06.91. Бюл. М 22 (71) Всесоюзн ый научно-исследо вател ьский и проектно-конструкторский институт

"КНИУИ" (72) В.А.Коровкин (53) 621.316.925(088) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1573497, кл. Н 02 Н 3/16, 1986, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ОТ ПОВРЕЖДЕНИЙ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических сетей с регулируемым электроприводом. Целью изобретения является повышение точности защиты от утечек тока на землю при изменении емкости сети. При включении питания генератор оперативного напряжения 1 подключается к жилам конПредлагаемого изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических сетей с изолированной нейтралью от токов утечки и коротких замыканий, в том числе и для горных машин с регулируемым электроприводом.

Целью изобретения является повышение точности защиты от утечек тока на землю при изменении емкости сети.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник оперативного напряжения переменного тока (генератора) 1 с разделительным трансформатором на выходе, датчики оперативного

Ы2 1656624 А2 тролируемой сети через ключ 5 на время, определяемое формирователями. По параметрам оперативного напряжения блоком интегрирования 6, блоком памяти 8 вычисляется величина оперативного тока, блоком перемножения 29, блоком уставок 28 вычисляется емкостная составляющая сопротивления утечки, блоком деления 24 вычисляется комплексное сопротивление утечки, блоками квадратов 31, 32, сумматором 26, б loKQM извлечения квадратного корня 33 вычисляется активная составляющая сопротивления утечки. В случае превышения оперативным током величины уставки порогового элемента 20, соответствующей короткому замыканию, или превышения величины активной составляющей уставки порогового элемента 21, срабатывает исполнительный блок 38, в результате источник 37 отключается, а блок индикации 15 указывает причину аварийного отключения.

1 ил. напряжения 2 и оперативного тока 3. первый 4 и второй 5 ключи, первый 6 и второй 7 интеграторы, первый 8 и второй 9 элементы

ПАМЯТЬ, блок установки в нуль 10, триггер

11, формирователь импульсов 12, делитель импульсов 13, разделительно-усилительный блок 14, блок индикации 15, блок присоединения 16, резлстор нагрузки 17, третий и четвертый интеграторы 18 и 19, первый 20 и второй 21 пороговые элементы, первый 22, второй 23 и третий 24 делители напряжений, первый 25 и второй 26 сумматоры, первый

27 и второй 28 блоки задания уставок, перемножитель 29, элемент сравнения 30, первый 31 и второй 32 квадраторы, блок извлечения квадратного корня 33, элемент

1656624

И 34, датчики сетевого напряжения 35 и тока нагрузки 36, силовой источник — управляемый выпрямитель 37, выходной исполнительный блок 38, шунтирующий резистор

39 и диод 40.

На чертеже приведены также обозначения следующих параметров и элементов:

R — сопротивление изоляции жил кабеля относительно земли, Сж — емкость жил кабеля относительно земли, Вк, Ск — сопротивление изоляции и емкость между силовыми жилами кабеля, Л Rñ — сопротивление участка сети длиной Л1, 41 (О) — электродвигатель постоянного тока, 42 (VD) — полупроводниковый диод, шунтирующий электродвигатель О.

Источник оперативного напряжения 1 имеет трансформаторный выход. Выходная первая обмотка разделительного трансформатора (() через второй ключ 5 подключается к жилам силовой сети. Выходные параметры этого источника измеряются датчиками оперативного напряжения 2 и тока 3, Управление вторым ключом 5 осуществляется посредством разделительно-усилительного блока 14.

Первый интегратор 6 служит для суммирования величины тока нагрузки генератора оперативного напряжения за заданный промежуток времени ti, создаваемый последовательно включенными формирователем импульсов 12 и делителем импульсов 13 с первого его выхода, Величина t1 для повышения достоверности измерений может быть принята в пределах от единиц до десятков периодов сетевого или оперативного напряжения. Первый ключ 4 при его открывании соединяет выход первого интегратора 6 с входом первого элемента ПАМЯТЬ 8 для записи в него информации о величине оперативного тока. Второй элемент ПАМЯТЬ 9 служит для запоминания величины выходного напряжения оперативного генератора 1. Второй интегратор 7 служит для суммирования сигнала, пропорционального величине суммарного (активной и емкостной составляющей) тока утечки, создаваемого силовым источником 37 в контролируемой сети. Третий интегратор 18 служит для суммирования величины тока нагрузки силового источника 37. Четвертый интегратор 19 служит для суммирования сигнала, пропорционального выходному напряжению силового источника 37. Суммирование производится за промежуток времени tz, задаваемый делителем импульсов 13 со второго его выхода.

Блок установки в нуль 10 служит для первоначальной установки в нулевое состояние интеграторов 6, 7, 18, 19, элементов

ПАМЯТЬ 8 и 9 и триггера 11. Триггер 11 определяет режим работы разделительноусилительного блока 14 и элемента И34.

5 Формирователь импульсов 12 и делитель импульсов 13 служат для формирования временного интервала t>, в течение которого источник оперативного напряжения подключается к сети, и временного ин10 тервала tz, за который измеряются сетевое напряжение и токи нагрузки и утечки в силовой сети. Введение диода 40 с нагрузочным резистором 39 в входную цепь формирователя импульсов 12 позволяет

15 получать выдержку времени 11, кратную целому числу периодов оперативного напряжения.

Разделительно-усилительный блок 14 служит для согласования выходной цепи

20 триггера 11 с входными цепями второго ключа 5 и гальванической развязки между высоковольтными цепями этого ключа и низковольтными цепями управления.

Блок индикации 15 обеспечивает обслу25 живающий персонал информацией о срабатывании защиты при возникновении аварийных режимов.

Блок присоединения 16 выполняет функции разделения силовых и измерительных

30 цепей. Резистор нагрузки 17 является измерительным элементом тока утечки силового источника 37 на землю.

Первый пороговый элемент 20 служит для установки порога срабатывания, соот35 ветствующего величине оперативного тока при коротком замыкании в обесточенной силовой сети, У тавка второго порогового элемента 21 соответствует уровню срабатывания защиты от утечек тока на землю.

40 Первый делитель напряжений 22 служит для вычисления величины сопротивления цепи нагрузки оперативного генератора 1.

45 С помощью второго делителя напряжений 23 вычисляется уставка срабатывания защиты от короткого замыкания в силовой сети, соответствующая минимальному значению тока короткого замыкания при дейст50 вующем напряжении на выходе силового источника 37. Третий делитель напряжений

24 служит для вычислений комплексного сопротивления утечки на землю в элементах силовой сети. В первом сумматоре 25 вычис55 ляется сопротивление жил силового кабеля с учетом сопротивлений второго ключа 5 и полупровод пикового диода \/О в проводящем состоянии, величины которых определены заранее и введены в первый блок уставок 27.

1656624

Перемножитель 29 с вторым блоком ус- ется на второй элемент ПАМЯТЬ 9 и запомитавок 28 служит для вычисления емкост- нается в нем. ной составляющей сопротивления утечки Ток в цепи источника оперативного нана землю элементов силовой сети. В блок пряжения создается за счет распределенноуставок 28 введена характеристика силово- 5 го сопротивления утечки Ru, Як емкости го кабеля Х км/R км, соответствующая отно- сети Ск сопротивления обмотки двигателя и шению емкостной Хс и активной R тока через диод V0. Этот ток содержит посоставляющих километрического сопротив- стоянную и переменную составляющие, Пеления жил силового кабеля, ременная составляющая определяется

С помощью элемента сравнения 30 вы- 10 комплексными сопротивлениями утечки и полняется сравнение текущего значения то- якорной цепи электродвигателя. Постоянка нагрузки с величиной устэвки, ная составляющая!попределяется последорассчитываемой во втором делителе 23. вательно включенными сопротивлением

П ервый квадратор 31 служит для возве- жил кабеля Rci сопротивлением элементов дениЯ в квадРат напРЯжениЯ, пропоРцио- 15 второго ключа 5 Кк и сопротивлением Rvn нального емкостной составляющей сопротивления силовой сети Хс. Второй диода ЧО в проводящем состоянии и авна

ЧО р д щ сос о нии и равна квадратор 32 служит для возведения в квад- In рат напряжения; пропорционального полR (1)

Е ному сопротивлению утечки Ry. 20 Г и

Во втором су р 26 о втором сумматоре 26 вычисляется

Где Upn Величина ВыходнОГО напряжения оперативного генератора 1, разность квадратов сопротивлений утечки

Ry и емкостной составляющей Хс С пок2 мощью блока извлечения квадратного корВ первом интеграторе 6 суммируется

33 вычи ля тся а Внэя о авля„ „ ая 25 сигнan, пропоРЦиональныи току опера ивсопротивления утечки R . ного генератора 1. Выходное напряжение лемент И34 служит для блокировки первого интегратора 6 за период оперэтивисключающей подачу сигналов управления ного напряжения пропорционально постона выходной исполнительный блок 38 на Янной составлЯющей тока In. Суммиро ание время подключения к сети источника опера- 30 величины тока за отРезок вРеме" и 1 Обес тивного напряжения 1. Выходной исполни- печивэет получе"ие среднего его значениЯ, тельный блок 38 обеспечивает управление По истечении выдержки времени t1, олсиловым источником 37 по заданному за Ределенной формиро а е ем 12 и делитекону. лем импульсов 13, на первом выходе

Устройство работает следующим обра- 35 делителЯ импУльсов фоРмиРУетсЯ импУльс, зом, который переключает триггер 11 во Второе

При подаче на вход устройства сетевого состоЯние, НапРЯжение на выходе пеРвого напряжения начинает работать источник интегРатоРа за это вРемв Достигает УровнЯ оперативного напряжения 1.

U1 = Kft1fpnIn, (2)

Ключи 4 и 5 находятся в закрытом состо- 40 4å 1 козфф Циент pî îP 1 î à îñ ; янии, Блок установки в нуль 10 устанавлива- 1 " — частота напРЯжениЯ ОпеРэтивного ет в нулевое состояние интеграторы 6, 7. 18 и 19, элементы flAMRTb 8 и 9 и включает и чеРез пеРвый ключ 4 бУдет записано в триггер 11. В результате включения тригге- пеРвый элемент ПАМЯТЬ 8. ра 11 сигналом с первого его выхода через 45 ТРиггеР 11, пеРеключившись пеРвым разделительно-усилительный блок 14 вклю- своим выходом. отключает разделительночается второй ключ 5 и генератор оператив- Усилительный блок 14, а втоРым выходом ного напряжения 1 подключается к жилам фоРмиРУет логическую единицу на первом контролируемой силовой сети, Нэ втором входе элемента И34. В результате выключавыходе триггера 11 формируется сигнал ло- 50 етсЯ втоРой ключ 5, пРе"РащаЯ подачУ опегического нуля и запрещается подача сигна- ративного напряжения на контролируемую лов управления электроприводом сеть. и сни ае сЯ блок"Ровка, за"Рещаюблокировкой элемента И34. щая прохождение команды управления в

С помощью формирователя импульсов выходной исполнительный блок 38.

12 и делителя импульсов 13 отсчитывается 55 Сигнал с выхода.пер ого э"е ента ПАвыдержка времени t1 подключения генера- мЯть 8 подается на первый пороговый элетора оперативного напряжения 1 к контро- мент20. При коротком замыкании в силовой лируемой сети, сети постоянная составляющая выходного еличина напряжения источника 1 с напРЯжениЯ01пеРвогоинтегРатоРабменьдатчика оперативного напряжения 2 пода- ше заданной величины А1пеРвого поРогово1

1656624 го элемента 20, т.е. Ul < Al. При выполнении этого условия на выходе первого порогового элемента 20 формируется команда, препятствующая включению выходного исполнительного блока 38, и выдается информация на блок индикации 15 о наличии аварийного режима. Силовой источник 37 при этом не включается.

При отсутствии короткого замыкания в силовой сети выполняется условие 01 А1 и сигнал на выходе первого порогового элемента 20 отсутствует. На этом заканчивается процесс измерения сопротивления жил силовой сети и контроль наличия короткого замыкания в обесточенном состоянии сети и может осуществляться работа электропривода в рабочем режиме, В рабочем режиме с помощью первого делителя напряжений 22 выполняется операция деления напряжений Ung с выхода второго элемента ПАМЯТЬ 9, соответствующего среднему значению величины оперативного напряжения и напряжения Оп1 с выхода первого элемента ПАМЯТЬ 8. В результате на его выходе формируется сигнал

0 1, пропорциональный суммарному сопротивлению Rz жил силовой сети, ключа 5 и диода 0 оперативному току, т.е.

Оц,— =КгR

Ощ (3)

0.1 (Кг — коэффициент пропорциональности).

С помощью первого сумматора 25 из суммарного сопротивления R вычитаются значения сопротивлений R K2 ключа 5 в открытом состоянии и диода R uo в проводящем состоянии, величины которых установлены в первом блоке задания уставок 27.

Сигнал на выходе первого сумматора 25

U c пропорционален сопротивлению жил силового кабеля Rc, т.е.

0 cl - Q(Rz R кг - Ruo) = Кзнс (4) (Кз — коэффициент передачи сумматора).

С помощью второго делителя напряжений 23 вычисляется уставка срабатывания устройства защиты от токов короткого заМЫКаНИЯ 1» a min, СООтВЕтСтВУЮЩаЯ ДЕйСтВУющему напряжению в силовой сети в рабочем режиме Он и короткому замыканию в наиболее удельной точке сети, т.е.

l ».a.min K4

Un (5)

1 c (К4 — коэффиц14ент передачи делителя

23).

Величина Он снимается с датчика сетевого напряжения 35 и усредняется за время тг с помощью четвертого интегратора 19.

Значение Он подается на входы второго и

5 третьего делителей напряжений с выхода четвертого интегратора 19, В элементе сравнения 30 производится

СраВНЕНИЕ уСтаеКИ СрабатЫВаНИя 1».э.min, рассчитанной во втором делителе напряже10 ний 23, с величиной тока нагрузки 1н, значение которого формируется на выходе третьего интегратора 18. При отсутствии короткого замыкания в контролируемой силовой сети !н < 1» э.min и на выходе элемента

15 сравнения 30 сигнал отсутствует. При возникновении короткого замыкания в сети выполняется условие

1Н > 1к.э.min (6) и на выходе элемента сравнения 30 форми20 руются команда на отключение выходного исполнительного блока 38 и сигнал в блок индикации 15.

В результате силовой источник 37 обесточивается.

25 Также в рабочем режиме с помощью перемножителя 29 и второго блока уставок

28 вычисляется емкостная составляющая сопротивления утечки силовой сети Хс в соответствии с формулой

30 Хкм (7)

В»м где Хкм и Икм — километрические значения емкостного и омического сопротивлений жил силового кабеля, значения которых для

35 конкретного типа кабеля известны и заносятся во второй блок задания уставок 28.

С помощью третьего делителя напряжений 24 вычисляется комплексное сопротивление утечки в силовой сети Ry в

40 соответствии с формулой

Ry= (8)

lу где ly — ток утечки, значение которого подается на второй вход делителя 24 с выхода

45 второго интегратора 7, В квадраторах 31 и 32 вычисляются квадраты величин Хс и Ry, Во втором сумматоре 26 вычисляется квадрат активной составляющей сопротивления утечки R4 в соответствии с формулой

Ra = Ry Хс . (9)

С помощью блока извлечения квадратного корня 33 вычисляется активная составляющая сопротивления утечки R> в силовой сети, равная

Ra = Ry - Хс (10)

С помощью второго порогового элемента 21 величина активной составляющей со10

1656624

Составитель О.Муратов

Редактор В. Фельдман Техред М.Моргентал Корректор И, Муска

Заказ 2311 Тираж 390 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101 противления утечки R, сравнивается с уставкой защиты от утечек Ry

Ra < Ryder на выходе порогового элемента 21 формируется команда на отключение выходного исполнительного блока 38 и сигнал в блок индикации 15. 10

В результате силовой источник 37 отключается и в блоке индикации фиксируется причина аварийного отключения, При отсутствии аварийных ситуаций выходной исполнительный блок 38 обеспечи- 15 вает управление силовым источником 37 и соответственно режимом работы двигателя в соответствии с заданными законами, Таким образом данное техническое решение позволяет контролировать воз- 20 никновение аварийных режимов в электрической сети горных машин с регулируемым приводом -- короткие замыкания и утечки на землю.

Повышение точности защиты от утечек 25 тока при изменении емкости сети обеспечивается эа счет введения алгоритма точного вычисления активной составляющей сопротивления утечки в силовой сети — в соответствии с формулой (10). Указанный алгоритм вычисления позволяет автоматически компенсировать емкостную составляющую тока утечки независимо от емкости сети. Это свойство предлагаемого технического решения позволяет расширить область применения регулируемых злектроприводов постоянного тока.

Формула изобретения

Устройство для защиты электрической сети от повреждений по авт.св. М 1573497, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности защиты от утечек тока на землю при изменении емкости сети, дополнительно введены два квадратора и блок извлечения квадратного корня, причем выход перемножителя подключен через последовательно соединенные первый квадратор, второй сумматор и блок извлечения квадратного корня к входу второго порогового элемента, а выход третьего делителя напряжений через второй квадратор соединен с вторым входом второго сумматора.