Устройство токовой защиты электроустановки

 

Устройство токовой защиты электроустановки относится к электроэнергетике, в частности к устройствам для токовой защиты электроустановок, может быть применено в качестве максимального расцепителя тока автоматического выключателя. Содержит датчики тока, N релейных органов по числу защитных каналов, элементы выдержки времени, выходной каскад, N цепей, каждая из которых включает триггер, два транзистора и светодиод, кнопку сброса, два формирователя сигнала, блок питания, разделительные диоды и токоограничивающий резистор. Устройство сокращает время определения причины ненормального режима, характера неисправности в защищаемой сети, повышает качество электроснабжения и эксплуатационные удобства. 1 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам для токовой защиты электроустановок и может быть применено в качестве максимального расцепителя тока автоматического выключателя.

Известны устройства для токовой защиты электроустановок, в том числе максимальной - максимальные расцепители тока, например (1-5), содержащие трансформаторы тока, релейные органы, элементы выдержки времени и выходные каскады с ключами для воздействия через исполнительный электромагнит на механизм расцепления автоматических выключателей.

Как правило, эти устройства содержат несколько защитных каналов - канал защиты от токов перегрузки, один или два канала защиты от токов междуфазных коротких замыканий, канал защиты от токов однофазных замыканий.

В большинстве устройств, как например на рис.1 в [6], каждый из этих каналов имеет свой релейный орган, который через свой элемент выдержки времени (РП через ЭВВП; РКЗ через ЭВВКЗ) или непосредственно (РО) воздействует на выходной каскад (ВК), который через электромагнитное исполнительное устройство (ЭИУ) воздействует на механизм свободного расцепления (МСР) выключателя.

Известны также устройства, например [7], в которых с целью упрощения по крайней мере один из релейных органов воздействует на вход другого релейного органа, и уже через него и через его элемент выдержки времени, если он есть, воздействует на выходной каскад.

Недостатком перечисленных устройств является отсутствие индикатора, индицирующего защитный канал, вызвавший срабатывание защитного устройства и расцепление автоматического выключателя, что затрудняет анализ причины отключения, увеличивает время определения характера неисправности в защищаемой сети и продолжительность нарушения в электроснабжении.

Известны устройства, например [8], содержащие многоканальный индикатор для индикации сработавшего защитного канала, однако их применение в устройствах, подобных [7] , нецелесообразно, т.к. при срабатывании релейного органа, воздействующего на вход другого релейного органа, будут включаться два индикатора, что приводит к неоднозначности при определении сработавшего защитного канала.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [7], содержащее датчики тока, N релейных органов по числу защитных каналов, элементы выдержки времени, выходной каскад, включающий в себя генератор импульсов, выход которого подключен к управляющему входу ключа, а выход последнего является выходом выходного каскада, в котором входы всех релейных органов связаны с выходами датчиков тока, выход по крайней мере одного из релейных органов подключен к входу одного из релейных органов, выход которого и выходы остальных релейных органов через соответствующие элементы выдержки времени или непосредственно соединены с входами выходного каскада, а выход выходного каскада подключен к исполнительному электромагниту.

В этом устройстве, как и в других аналогичных, релейные органы разных защитных каналов (канал защиты от токов перегрузки; канал защиты от токов междуфазных коротких замыканий; канал защиты от токов однофазных замыканий и т. д. ) имеют разную величину порога срабатывания и выдержек времени, причем канал защиты с более высоким порогом срабатывания, как правило, имеет меньшую выдержку времени, в результате чего всегда отключение автоматического выключателя вызывается только одним из защитных каналов. Релейный орган, выход которого подключен ко входу другого релейного органа, имеет самый низкий порог срабатывания (обычно это канал защиты от токов однофазного короткого замыкания).

Недостаток устройства [7], также как и устройств (1-6) - отсутствие индикатора, индуцирующего защитный канал, вызвавший расцепление автоматического выключателя.

Задача, решаемая предлагаемым устройством - сокращение времени определения причины ненормального режима и характера неисправности в защищаемой сети, повышение качества энергоснабжения и эксплуатационных удобств путем обеспечения индикации сработавшего защитного канала и выдачи информации на внешние устройства.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройстве токовой защиты электроустановки, содержащем датчики тока, N релейных органов по числу защитных каналов, элементы выдержки времени, выходной каскад, включающий в себя генератор импульсов, выход которого подключен к управляющему входу ключа, а выход последнего является выходом выходного каскада, в котором входы всех релейных органов связаны с выходами датчиков тока, выход по крайней мере одного из релейных органов подключен к входу одного из релейных органов, выход которого и выходы остальных релейных органов через соответствующие элементы выдержки времени или непосредственно соединены с входами выходного каскада, а выход выходного каскада подключен к исполнительному электромагниту, дополнительно введены N цепей, каждая из которых включает триггер, два транзистора и светодиод, кнопка сброса, два формирователя сигнала, блок питания, разделительные диоды и токоограничивающий резистор, входы S триггеров подключены к общей шине устройства, к которой подключены также общая клемма блока питания и один контакт кнопки сброса, второй контакт которой через первый формирователь сигнала соединен с объединенными входами R триггеров, входы C триггеров объединены и через второй формирователь сигнала подключены к выходе генератора импульсов выходного каскада, вход D первого триггера подключен к выходу первого релейного органа, вход D второго триггера подключен к выходу элемента выдержки времени, связанного входом с выходом второго релейного органа, входы D остальных триггеров связаны через соответствующие элементы выдержки времени или непосредственно с выходами соответствующих остальных релейных органов, к выходам триггеров подключены базы первых транзисторов, эмиттеры которых подключены к общей шине, а коллекторы - к эмиттерам вторых транзисторов, коллекторы которых являются выводами устройства для дистанционной связи с внешними устройствами, базы вторых транзисторов подключены к катодам соответствующих светодиодов, анод светодиода в цепи выхода второго триггера через разделительные диоды, а аноды остальных светодиодов - непосредственно через общий токоограничивающий резистор подключены к потенциальной клемме блока питания, первый формирователь сигнала выполнен в виде инвертора, вход которого через конденсатор соединен с общей шиной, через резистор - с потенциальной клеммой блока питания, а выход инвертора является выходом формирователя, второй формирователь сигнала выполнен в виде первого инвертора, вход которого является входом формирователя, выход первого инвертора через цепочку из параллельно соединенных диода и резистора подключен к входу второго инвертора, который через конденсатор подключен также к общей шине, а выход второго инвертора является выходом второго формирователя.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Оно содержит датчики тока I, N релейных органов 2-5 по числу защитных каналов, элементы выдержки времени 6 и 7, выходной каскад 8, включающий в себя генератор импульсов 9, выход которого подключен к управляющему входу ключа 10, а выход последнего является выходом выходного каскада.

Входы всех органов 2-5 связаны с выходами датчиков тока I, выход первого релейного органа 4 подключен к входу второго релейного органа 5. Выходы релейных органов 2 и 5 через элементы выдержки времени 6 и 7, а выход релейного органа 3 непосредственно соединен с входами выходного каскада 8, а выход выходного каскада 8 подключен исполнительному электромагниту 11, имеющему механическую связь с автоматическим выключателем 12.

Устройство содержит N цепей, в каждой из которых соответственно триггеры 13-16, первые транзисторы 17-20, вторые транзисторы 21-24 и светодиоды 25-28, кнопку сброса 29, первый 30 и второй 31 формирователи сигнала, блок питания 32, разделительные диоды 33 и токоограничивающий резистор 34.

Входы S триггеров 13-16, общая клемма блока питания 32 и один контакт кнопки сброса 29 подключены к общей шине устройства. Второй контакт кнопки 29 через первый формирователь 30 соединен с объединенными входами R триггеров 13-16, входы C объединены и через второй формирователь 31 подключены к выходу генератора импульсов 9 выходного каскада. Вход D первого триггера 13 подключен к выходу первого релейного органа 4, вход D второго триггера 14 подключен к выходу элемента выдержки времени 7, связанного входом с выходом второго релейного органа 5, входы D остальных триггеров (третьего 15, ... и N-ного 16) связаны через соответствующие элементы выдержки времени (третьего 15 - через 6) или непосредственно (N-ный 16) с выходами остальных релейных органов (третьего 2, ... и N-ного 3). К выходам триггеров 13-16 подключены базы первых транзисторов 17-20, эмиттеры которых подключены к общей шине, а коллекторы - к эмиттерам вторых транзисторов 21-24, коллекторы которых являются выходами устройства для дистанционной связи с внешними устройствами. Базы вторых транзисторов 21-24 подключены к катодам соответствующих светодиодов 25-28. Анод светодиода 26 в цепи выхода второго триггера 14 через разделительные диоды 33, а аноды остальных светодиодов 25, 27 и 28 - непосредственно через общий токоограничивающий резистор 34 подключены к потенциальной клемме блока питания 32.

Первый формирователь сигнала 30 выполнен в виде инвертора 35, вход которого через конденсатор 36 соединен с общей шиной, через резистор 37 с потенциальной клеммой блока питания 32, а выход инвертора 35 является выходом формирователя 30.

Второй формирователь сигнала 31 выполнен в виде первого инвертора 38, вход которого является входом формирователя 31; выход первого инвертора 38 через цепочку 39 из параллельно соединенных диода и резистора подключен к входу второго инвертора 40 и через конденсатор 41 - к общей шине, а выход второго инвертора 40 является выходом второго формирователя 31.

Все остальные части устройства, предназначенные для выполнения защитных функций (релейные органы 2-5, элементы выдержки времени 6 и 7, выходной блок 8, исполнительный электромагнит 11) получают питание от датчиков тока 1 при включенном автоматическом выключателе 12, когда через его нагрузку протекает ток. Остальные составные части устройства, предназначенные для выполнения информационных функций, питаются от блока питания 32.

Для выполнения защитных функций не имеет значения последовательность подачи питающих напряжений на составные части устройства и наличие его на выходе блока питания 32.

Для правильного функционирования информационной части устройства напряжение на выходе блока питания 32 должно появляться до включения автоматического выключателя и оставаться после его автоматического отключения.

В момент включения блока питания 32 конденсаторы 36 и 41 разряжены; на входах инверторов 35, 38 и 40 - напряжение низкого уровня (логический ноль), на выходах инверторов 35, 38 и 40 - напряжение высокого уровня (логическая единица); на входах S и D - триггеров 13-16 - логический ноль, на их R-входах - логическая единица, на входах C - перепад напряжения от логического нуля к единице, на выходах Q в соответствии с таблицей состояний - логический ноль; транзисторы 17-24 закрыты, светодиоды 25-28 выключены.

После заряда конденсаторов 36 и 41 на входах инверторов 35 и 40 - логическая единица, на выходе инверторов 35 и 40 - ноль, на входах R и C триггеров 13-16 - ноль; состояние выходов Q триггеров 13-16, транзисторов 17-24 и светодиодов 25-28 не изменяется.

При включенном автоматической выключателе 12 и отсутствии аварийного или ненормального режима в питаемой сети на выходах всех релейных органов 2-5, элементов выдержки времени 6 и 7 и входах выходного каскада 8 - логический ноль, генератор импульсов 9 не генерирует, ключ 10 закрыт.

При возникновении в сети тока перегрузки срабатывает релейный орган 2 канала защиты от перегрузок; после выдержки времени, определяемой величиной тока и элементом выдержки времени 6, с выхода последнего на вход выходного каскада 8 и вход D-триггера 15 поступает напряжение логической единицы. После запуска генератора импульсов 9 в выходном каскаде 8 выходной импульс генератора 9 открывает ключ 10, подается напряжение на исполнительный электромагнит 11, выключатель 12 размыкается; одновременно импульс генератора 9 поступает на вход инвертора 38, на выходе которого логическая единица сменяется логическим нулем, который подается на вход инвертора 40, на выходе которого логический ноль сменяется на логическую единицу; на входах C-триггеров 13-16 возникает положительный перепад напряжения от нуля к единице; логическая единица с выхода D-триггера 15 передается на выход Q этого триггера; транзисторы 19 и 23 открываются, включается светодиод 27; светодиод 27 индицирует срабатывание канала защиты от токов перегрузки; информация с коллектора открывшегося транзистора 23 поступает на внешние устройства. Сброс информации происходит при замыкании кнопки сброса 29.

При возникновении в сети умеренного тока междуфазного короткого замыкания срабатывают релейные органы канала защиты от перегрузки 2 и канала защиты от междуфазных замыканий 5, однако на вход выходного каскада 8 напряжение логической единицы поступает только с выхода элемента выдержки времени 7, элемент выдержки времени 6 при этом сработать не успевает. Из всех входов D-триггеров 13-16 только на входе D-триггера 14 появляется напряжение логической единицы, которая передается на его выход Q после запуска генератора импульсов 9; открываются транзисторы 18 и 22, включается светодиод 26.

При возникновении в сети предельного тока междуфазного короткого замыкания срабатывают релейные органы 2,4 и 3; напряжение логической единицы с выхода последнего без выдержки времени поступает на вход выходного каскада 8 и вход D-триггера 16; напряжение логической единицы на входы D-триггеров 15 и 14 поступить не успевает; в результате на выходе Q-триггера 16 - логическая единица; открываются транзисторы 20 и 24; включается светодиод 28.

Релейный орган 4 канала защиты от однофазных коротких замыканий, несмотря на самый низкий порог срабатывания по току, в режимах перегрузок и междуфазных замыканий не срабатывает, так как он имеет входной фильтр, настроенный на утроенную частоту сетевого напряжения, что характерно для режима однофазного замыкания. При возникновении однофазного замыкания срабатывает релейный орган 4. Напряжение логической единицы с его выхода поступает на вход D-триггера 13 и вход релейного органа 5, вызывая его срабатывание. После выдержки времени, определяемой элементом 7, напряжение логической единицы с его выхода поступает на вход D-триггера 14 и вход выходного каскада 8. После запуска генератора импульсов 9 напряжение логической единицы появляется на выходах Q двух триггеров 13 и 14, открывая по цепи база - эмиттер транзисторы 17 и 18. Транзисторы 17 и 21 открываются и по коллекторным цепям, включается светодиод 25. В точке соединения анода светодиода 25 с разделительными диодами 33 напряжение мало; оно недостаточно для открытия цепочки из последовательно включенных разделительных диодов 33, светодиода 26, перехода база - эмиттер транзистора 22 и перехода коллектор - эмиттер транзистора 18, вследствие чего светодиод 26 не включается.

Таким образом, устройство обеспечивает индикацию сработавшего защитного канала даже в случае воздействия релейного органа одного из них на вход другого и выдачу информации на внешние устройства, что сокращает время определения причины ненормального режима, характера неисправности в защищаемой сети, повышает качество электроснабжения и эксплуатационные удобства.

Формула изобретения

Устройство токовой защиты электроустановки, содержащее датчики тока, N релейных органов по числу защитных каналов, элементы выдержки времени, выходной каскад, включающий в себя генератор импульсов, выход которого подключен к управляющему входу ключа, а выход последнего является выходом выходного каскада, в котором входы всех релейных органов связаны с выходами датчиков тока, выход по крайней мере одного (первого) из релейных органов подключен к входу одного (второго) из релейных органов, выход которого и выходы остальных релейных органов через соответствующие элементы выдержки времени или непосредственно соединены с входами выходного каскада, а выход выходного каскада подключен к исполнительному электромагниту, отличающееся тем, что дополнительно введены N цепей, каждая из которых включает триггер, два транзистора и светодиод, кнопка сброса, два формирователя сигнала, блок питания, разделительные диоды и токоограничивающий резистор, S-входы триггеров подключены к общей шине устройства, к которой подключены также общая клемма блока питания и один контакт кнопки сброса, второй контакт которой через первый формирователь сигнала соединен с объединенными R-входами триггеров, C-входы триггеров объединены и через второй формирователь сигнала подключены к выходу генератора импульсов выходного каскада, D-вход первого триггера подключен к выходу первого релейного органа, D-вход второго триггера - к выходу элемента выдержки времени, связанного входом с выходом второго релейного органа, D-входы остальных триггеров связаны через соответствующие элементы выдержки времени или непосредственно с выходами соответствующих остальных релейных органов, к выходам триггеров подключены базы первых транзисторов, эмиттеры которых подключены к общей шине, а коллекторы - к эмиттерам вторых транзисторов, коллекторы которых являются выходами устройства для дистанционной связи с внешними устройствами, базы вторых транзисторов соединены с коллекторами первых транзисторов так, что при открывании первых и вторых транзисторов включаются соответствующие светодиоды, базы вторых транзисторов подключены к катодам соответствующих светодиодов, анод светодиода в цепи выхода второго триггера через разделительные диоды, а аноды остальных светодиодов непосредственно через общий токоограничивающий резистор подключены к потенциальной клемме блока питания, первый формирователь сигнала выполнен в виде инвертора, вход которого через конденсатор соединен с общей шиной, через резистор - с потенциальной клеммой блока питания, а выход инвертора является выходом формирователя, второй формирователь сигнала выполнен в виде первого инвертора, вход которого является входом формирователя, выход первого инвертора через цепочку из параллельно соединенных диода и резистора подключен к входу второго инвертора и через конденсатор - к общей шине, а выход второго инвертора является выходом второго формирователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1