Устройство для защиты трехфазной электроустановки

 

Использование: в электротехнике, в частности в релейной защите трехфазной электроустановки для повышения эксплуатационной надежности путем повышения достоверности и улучшения качества контроля защитных характеристик электроустановки. Сущность изобретения: устройство для защиты трехфазной электроустановки содержит контактор, первый трехфазный однотактный выпрямитель 4, управляемый полупроводниковый вентиль 3, контакт 5 кнопки "Стоп", контакт 6 кнопки "Пуск". Новым в устройстве является то, что в него дополнительно введены второй трехфазный однотактный выпрямитель 9, датчики 10 тока, компаратор 16 с положительной обратной связью и с отношением верхнего и нижнего порогов срабатывания, независящим от входного напряжения, интегратор 25, триггер 26 Шмитта, усилитель 27. Оценка нарушения симметрии фазовых токов (напряжений) и превышение их выше допустимого предела производится по величине отношения максимального значения напряжения на выходе трехфазного выпрямителя к постоянной составляющей того же напряжения. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите трехфазной электроустановки.

Известно устройство для защиты трехфазной электроустановки, содержащее контактор, силовые контакты которого предназначены для включения в фазные провода, питающие электроустановку, управляемый полупроводниковый вентиль, цепь управления контактором, состоящую из последовательно соединенных кнопки "Стоп", зашунтированной замыкающим блок-контактом контактора, катушки контактора, зашунтированной выходной цепью управляемого полупроводникового вентиля согласно с направлением тока в катушке, резистора, при этом первый вывод цепи управления со стороны кнопки "Стоп" подключен к выходу трехфазного выпрямителя, вход которого соединен с клеммами для подключения к фазным проводам, а второй вывод цепи управления подключен к клемме для соединения с нулевым проводом.

Это устройство имеет следующие недостатки.

В устройстве контроль симметричного режима осуществляется по факту симметрии питающих фазовых напряжений, что при включенной электроустановке не является достаточным условием наличия симметричного режима, так как при этом может быть нарушена симметрия фазовых токов, например при симметричном изменении нагрузки.

Устройство имеет низкую точность контроля степени асимметрии фазовых напряжений, так как порог срабатывания защиты существенно зависит от величины входного тока включения управляемого полупроводникового вентиля. Входной ток включения полупроводниковых вентилей, как известно, имеет широкий разброс по своему значению от различных дестабилизирующих факторов.

Устройство имеет низкую помехоустойчивость, так как в связи с высоким быстродействием полупроводниковых приборов любое кратковременное нарушение симметрии фазовых напряжений приводит к отключению электроустановки от сети питания.

Цель изобретения повышение эксплуатационной надежности путем повышения достоверности и улучшения качества контроля защитных характеристик электроустановки.

Цель достигается тем, что устройство для защиты трехфазной электроустановки, содержащее контактор, силовые контакты которого предназначены для включения в фазные провода, питающие электроустановку, управляемый полупроводниковый вентиль, цепь управления контактором, состоящую из последовательно соединенных кнопки "Стоп", кнопки "Пуск", зашунтированной замыкающим блок-контактом контактора, катушки контактора, зашунтированной выходной цепью управляемого полупроводникового вентиля согласно с направлением тока в катушке, первого резистора, при этом первый вывод цепи управления со стороны кнопки "Стоп" подключен к плюсовому выводу первого трехфазного выпрямителя, выполненного по однотактной схеме, вход которого соединен с клеммами для подключения к фазным проводам, а второй вывод цепи управления подключен к клемме для соединения с нулевым проводом, дополнительно снабжено вторым трехфазным выпрямителем, выполненным по однотактной схеме, датчиками тока с выводами первичных обмоток, предназначенных для включения последовательно с силовыми контактами контактора, при этом вторичные обмотки датчиков тока соединены в звезду и своими выводами подключены к входным зажимам второго трехфазного выпрямителя, стабилизатором напряжения, вход которого соединен с плюсовым выводом первого трехфазного выпрямителя, а минусовой вывод стабилизатора напряжения объединен с минусовым выводом второго трехфазного выпрямителя и вторым выводом цепи управления контактором, шестью резисторами, двумя диодами, конденсатором, причем выход второго трехфазного выпрямителя зашунтирован вторым резистором, а плюсовой вывод соединен через последовательно соединенные третий резистор и размыкающий блок-контакт контактора с плюсовым выводом первого трехфазного выпрямителя, компаратором, в цепь положительной обратной связи которого последовательно включены четвертый резистор и первый диод, причем первый диод ориентирован катодом к выходу компаратора, неинвертирующий и инвертирующий входы компаратора соединены соответственно через пятый и шестой резисторы с плюсовым выводом второго трехфазного выпрямителя, выход компаратора соединен через седьмой резистор с плюсовым выводом стабилизатора напряжения, переменным резистором, подключенным крайними выводами к выходу стабилизатора напряжения, а выводом подвижного контакта к катоду второго диода, анод которого соединен с инвертирующим входом компаратора и первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с минусовым выводом стабилизатора напряжения, интегратором, триггером Шмитта и усилителем, соединенными последовательно, причем вход интегратора соединен с выходом компаратора, а выход усилителя через входную цепь управляемого полупроводникового вентиля соединен с минусовым выводом стабилизатора напряжения.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых блоков и элементов: датчиков тока, второго трехфазного выпрямителя, стабилизатора напряжения, компаратора, интегратора, триггера Шмитта, усилителя, двух диодов, конденсатора, шести резисторов, в том числе переменного резистора, и их связями с остальными элементами схемы.

Таким образом, предлагаемое устройство соответствует критерию изобретения "Новизна".

Сравнение предлагаемого изобретения с другими техническими решениями показывает, что компараторы с резисторной положительной обратной связью широко известны.

Однако при его введении в указанной связи с остальными элементами схемы в предлагаемое устройство для защиты трехфазной электроустановки вышеуказанные блоки проявляют новые свойства, что приводит к улучшению качества контроля защитных характеристик и, следовательно, к повышению эксплуатационной надежности.

Введение интегратора и триггера Шмитта позволяет улучшить помехоустойчивость устройства, что тоже ведет к повышению эксплуатационной надежности.

На фиг.1 представлена электрическая функциональная схема устройства; на фиг. 2 и 3 диаграммы напряжений на выходе трехфазного однотактного выпрямителя при симметричном и несимметричном режимах соответственно; на фиг. 4 зависимость величины отношения максимального значения напряжения к постоянной составляющей на выходе трехфазного выпрямителя от относительного (по отношению к номинальному значению) изменения тока в одной из фаз.

Устройство для защиты трехфазной электроустановки 1 содержит контактор, силовые контакты 2 которого предназначены для включения в фазные провода, питающие электроустановку 1, управляемый полупроводниковый вентиль 3, в качестве которого применен оптронный тиристор, первый трехфазный выпрямитель 4, выполненный по однотактной схеме, вход первого трехфазного выпрямителя 4 соединен с клеммами для подключения к фазным проводам, а плюсовой вывод через последовательно соединенные размыкающий контакт 5 кнопки отключения "Стоп", замыкающий контакт 6 кнопки включения "Пуск", катушку 7 контактора и первый резистор 8 подключен к клемме для соединения с нулевым проводом, второй трехфазный выпрямитель 9, выполненный по однотактной схеме, датчики 10 тока с выводами первичных обмоток, предназначенных для включения последовательно с силовыми контактами 2 контактора, при этом вторичные обмотки датчиков 10 тока соединены в звезду и своими выводами подключены к входным зажимам второго трехфазного выпрямителя 9, стабилизатор 11 напряжения, вход которого соединен с плюсовым выводом первого трехфазного выпрямителя 4, а минусовой вывод стабилизатора 11 соединен с минусовым выводом второго трехфазного выпрямителя 9 и с клеммой для соединения с нулевым проводом, выход второго трехфазного выпрямителя 9 зашунтирован вторым резистором 12, а плюсовой вывод второго трехфазного выпрямителя 9 подключен через последовательно соединенные третий резистор 13 и размыкающий блок-контакт 14 контактора к плюсовому выводу первого трехфазного выпрямителя 4, замыкающий блок-контакт 15 контактора включен параллельно контакту 6 кнопки включения, компаратор 16, в цепь положительной обратной связи которого последовательно включены четвертый резистор 17 и первый диод 18, причем диод 18 ориентирован катодом к выходу компаратора 16, неинвертирующий и инвертирующий входы компаратора 16 соединены соответственно через пятый резистор 19 и шестой резистор 20 с плюсовым выводом второго трехфазного выпрямителя 9, выход компаратора 16 соединен через седьмой резистор 21 с плюсовым выводом стабилизатора 11, переменный резистор 22, подключенный крайними выводами к выходным выводам стабилизатора 11, а выводом подвижного контакта к катоду второго диода 23, анод диода 23 соединен с инвертирующим входом компаратора 16 и первым выводом конденсатора 24, второй вывод которого соединен с минусовым выводом стабилизатора 11, интегратор 25, триггер 26 Шмитта, усилитель 27, соединенные между собой последовательно, вход интегратора 25 соединен с выходом компаратора 16, а выход усилителя 27 через входную цепь управляемого полупроводникового вентиля 3 соединен с минусовым выводом стабилизатора 11, выходная цепь управляемого полупроводникового вентиля 3 включена параллельно катушке 7 контактора согласно с направлением тока в катушке 7.

Стабилизатор 11 напряжения может быть выполнен по схеме параметрического стабилизатора Д814, интегратор 25 может быть выполнен на RC-цепи, триггер 26 Шмитта и усилитель 27 на микросхемах соответственно 564ТЛ1 и 564ЛА10.

Устройство работает следующим образом.

Предварительно включается входной автоматический выключатель. Для включения электроустановки 1 замыкается контакт 6 кнопки включения, напряжение поступает на катушку 7 контактора, последний включается и замыкает силовые контакты 2 в цепи электроустановки 1. Одновременно замыкается блок-контакт 15 контактора, шунтируя контакт 6 кнопки включения и обеспечивая питания катушки 7 контактора при отпускании кнопки включения и размыкании контакта 6. Для отключения электроустановки 1 необходимо нажать кнопку отключения, размыкающий контакт 5 которой обесточивает катушку 7 контактора.

При работающей электроустановке 1 трехфазный выпрямитель 4 отключен от входа компаратора 16 блок-контактом 14 контактора. Напряжения с датчиков 10 тока, пропорциональные фазовым токам, поступают на вход трехфазного выпрямителя 9. Диаграмма напряжения на выходе трехфазного выпрямителя 9 при симметричных фазовых токах изображена на фиг.2. Отношение максимального значения напряжения U_m к величине постоянной составляющей U_o на выходе трехфазного выпрямителя при симметричных токах равняется 1,21 и остается неизменным при пропорциональном изменении фазовых токов в цепи питания электроустановки 1.

Если один из фазовых токов, питающих электроустановку 1, например, возрастает, то выходное напряжение трехфазного выпрямителя выглядит так, как изображено на фиг.3. Отношение U_m/U_o при этом изменяется. На фиг.4 изображена расчетная зависимость U_m/U_o от относительного изменения тока в одной из фаз I_A/I_H (I_A ток фазы А, I_H номинальное значение тока). Отношение тока в одной из фаз от номинального значения (нарушение симметрии) как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения приводит к возрастанию величины U_m/U_o, причем эта зависимость близка к линейной. Следовательно, по величине отношения U_m/U_o K можно количественно оценить нарушение симметричного режима, например значению К 1,3 соответствует примерно двадцатипроцентное изменение тока в одной из фаз.

Схемно этот принцип реализуется на основе компаратора 16 с положительной обратной связью. Резистор 20 и конденсатор 24 образуют фильтр нижних частот. При условии R₁₂ << R₂₀ на выходе фильтра выделяется постоянная составляющая U_о выходного напряжения трехфазного выпрямителя 9. Если пренебречь падением напряжения на диоде 18, то нижний и верхний пороги срабатывания компаратора 16 равны U_нU_o; U_в U_о, а отношение U_В/U_H m не зависит от величины U_o. При К < m компаратор 16 не срабатывает по верхнему порогу и напряжение на выходе компаратора 16 близко к нулю. Как только К ≥ m, компаратор 16 начинает переключаться по верхнему и нижнему порогам и на его выходе появляется последовательность импульсов частотой 150 Гц. Таким образом, с помощью резисторов R₁₇ и R₁₉, задавая число m, можно с высокой точностью контролировать степень несимметрии фазовых токов.

Схема позволяет также сигнализировать о перегрузке. Ток перегрузки устанавливается переменным резистором R₂₂ заданием напряжения U₃ на подвижном контакте. При пропорциональном возрастании токов, потребляемых электроустановкой 1, напряжение U_о на выходе фильтра R₂₀C₂₄ также сначала возрастает и при достижении величины U_з + U_д (U_д падение напряжения на диоде 23) перестает возрастать, что равносильно увеличению величины К. При достижении К m компаратор 16 начинает переключаться, т.е. схема реагирует на перегрузку.

Импульсы с выхода компаратора 16 накапливаются интегратором 25и по истечении времени задержки (2-3 с) напряжение на выходе компаратора 25 достигает верхнего порога срабатывания триггера 26 Шмитта, последний переключается и через усилитель 27 запитывает входную цепь управляемого полупроводникового вентиля 3, последний включается и шунтирует катушку 7 контактора, электроустановка 1 отключается.

Устройство позволяет контролировать нарушение симметрии фазовых напряжений при отключенной электроустановке 1. В этом случае на вход компаратора 16 через замкнутый блок-контакт 14 контактора и резистор 13 подается напряжение, пропорциональное выходному напряжению трехфазного выпрямителя 4. Соотношение резисторов 13 и 12 выбирается таким образом, чтобы напряжение на входе компаратора 16 при номинальном напряжении сети и отключенной электроустановке 1 равнялось напряжению на выходе трехфазного выпрямителя 9 при работающей электроустановке 1 и номинальных фазовых токах. Срабатывание защиты (включение управляемого полупроводникового вентиля 3) в этом случае происходит при нарушении симметрии фазовых напряжений или пропорциональном возрастании фазовых напряжений выше допустимого значения. Включение управляемого полупроводникового вентиля 3 при неработающей электроустановке 1 приводит к шунтированию катушки 7 контактора при попытке включить электроустановку 1 замыкания контакта 6 кнопки включения.

Таким образом, в предлагаемом устройстве при отключенной электроустановке контроль нарушения симметрии питающей сети осуществляется по фазовым напряжениям, при включенной электроустановке контролируются фазовые токи, что существенно повышает достоверность контроля, так как нарушения симметрии фазовых токов может являться следствием как нарушения симметрии фазовых напряжений (частный случай), так и следствием аварийных ситуаций в самой электроустановке.

Точность контроля степени асимметрии фазовых напряжений (токов) в предлагаемом устройстве существенно повышается по сравнению с прототипом, так как определяется главным образом классом точности резисторов R₁₇ и R₁₉. Задание допустимой степени асимметрии (числа m) осуществляется расчетом и выбором номинальных значений резисторов R₁₇, R₁₉ и не требует регулировки.

Задержка срабатывания защиты при кратковременных нарушениях в питающей сети путем введения интегратора 25 и триггера 26 Шмитта позволяет повысить помехоустойчивость устройства.

Выбор схемного решения для решения задачи контроля нарушения симметрии питающей сети позволяет без дополнительного усложнения схемы (введением только диода 23 и переменного резистора 22) снабдить устройство дополнительной функцией защита электроустановки от перегрузки.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ, содержащее контактор, силовые контакты которого предназначены для включения в фазные провода, питающие электроустановку, управляемый полупроводниковый вентиль, цепь управления контактором, состоящую из последовательно соединенных кнопки "Стоп", кнопки "Пуск", зашунтированной замыкающим блок-контактом контактора, катушки контактора, зашунтированной выходной цепью управляемого полупроводникового вентиля согласно с направлением тока в катушке, первого резистора, при этом первый вывод цепи управления со стороны кнопки "Стоп" подключен к плюсовому выводу первого трехфазного выпрямителя, выполненного по однотактной схеме, вход которого соединен с клеммами для подключения к фазным проводам, а второй вывод цепи управления подключен к клемме для соединения с нулевым проводом, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено вторым трехфазным выпрямителем, выполненным по однотактной схеме, датчиками тока с выводами первичных обмоток, предназначенными для включения последовательно с силовыми контактами контактора, при этом вторичные обмотки датчиков тока соединены в звезду и своими выводами подключены к входным зажимам второго трехфазного выпрямителя, стабилизатором напряжения, вход которого соединен с плюсовым выводом первого трехфазного выпрямителя, а минусовой вывод стабилизатора напряжения объединен с минусовым выводом второго трехфазного выпрямителя и вторым выводом цепи управления контактором; шестью резисторами, двумя диодами, конденсатором, причем выход второго трехфазного выпрямителя зашунтирован вторым резистором, а плюсовой вывод соединен через последовательно соединенные третий резистор и размыкающий блок-контакт контактора с плюсовым выводом первого трехфазного выпрямителя, компаратором, в цепь положительной обратной связи которого последовательно включены четвертый резистор и первый диод, причем первый диод ориентирован катодом к выходу компаратора, неинвертирующий и инвертирующий входы компаратора соединены соответственно через пятый и шестой резисторы с плюсовым выводом второго трехфазного выпрямителя, выход компаратора соединен через седьмой резистор с плюсовым выводом стабилизатора напряжения; переменным резистором, подключенным крайними выводами к выходным выводам стабилизатора напряжения, а выводом подвижного контакта к катоду второго диода, анод которого соединен с инвертирующим входом компаратора и первым выводом конденсатора, второй вывод которого соединен с минусовым выводом стабилизатора напряжения; последовательно соединенными между собой интегратором, триггером Шмитта и усилителем, причем вход интегратора соединен с выходом компаратора, а выход усилителя через входную цепь управляемого полупроводникового вентиля соединен с минусовым выводом стабилизатора напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4