Устройство комплексной защиты электротехнической системы

 

Изобретение может быть использовано в устройствах защиты электроинструмента, питающихся от трехфазных сетей и изолированных нейтралью, в частности, для путевого инструмента. Сущность изобретения заключается в том, что в устройстве, содержащем два канала контроля-датчиков нессимметрии и обрыва фазы и перегрузки по току, исполнительного элемента контроля и исполнительного органа введенный датчик контроля сопротивления изоляции выполнен в виде датчика-фильтра напряжения нулевой последовательности, датчик контроля обрыва фазы и перекоса фаз выполнен в виде датчика тока-фильтра обратной последовательности, датчик перегрузки по току выполнен на одном трансформаторе тока, исполнительные элементы выполнены на компараторах в виде триггера Шмидта, исполнительный орган выполнен в виде тиристорного оптрона, ключевого усилителя тиристорного оптрона, ключевого усилителя тиристора и семистора, узел индикации в виде трехканального RS-триггера с индикатором аварийного состояния. В аварийном режиме исполнительный элемент воздействует на исполнительный орган, отключая инструмент от сети и включая соответствующую аварийную индикацию. Изобретение позволяет упростить устройство, повысить чувствительность, надежность. 11 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах защиты системы генератор-нагрузка, питающейся от трехфазных сетей с изолированной нейтралью, в частности, для путевого электроинструмента.

Известны устройства защиты трехфазных систем переменного тока [1], в которых возможны аварийные ситуации при пропадании любой из фаз трехфазной системы или перекосе фаз. Устройство содержит две группы диодов - катодную и анодную, т. е. соединенные катодами между собой или анодами, два ограничительных резистора, включенных в цепи анодов катодной сборки, между общими электродами двух групп диодов включен третий ограничительный резистор и индикатор, вторые выводы первого и второго ограничительных резисторов подключены к узлу контроля.

Недостатком известного устройства является то, что оно защищает только от перегрузок по току в каждой из фаз, от обрыва и перекоса фаз.

Известно также устройство для защиты и контроля трехфазного источника переменного напряжения [2] , содержащее датчик нулевой последовательности, подключенный к каждой из фаз, резистивную нагрузку, включенную по схеме "звезда" и создающую искусственную нулевую точку O. Между искусственными нулевыми точками O и O' через гасящий резистор подключен индикатор тока, параллельно гасящему резистору включены последовательно два встречно-параллельно включенных диода, сглаживающий конденсатор, параллельно которому подключен аналого-цифровой преобразователь. Устройство с помощью индикатора по уровню освещенности или цифровым способом указывает вид неисправности: обрыв фазы, перекос фаз, перегрузка по току.

Недостатком этого устройства является отсутствие время-токовой защиты при перегрузке по току, а также отсутствие защиты при нарушении сопротивления изоляции.

Наиболее близким предлагаемому устройству, принятому за прототип, является устройство для защиты электроустановки [3], содержащее фильтр порядка чередования фаз (датчик контроля обрыва фазы и перекоса фаз), подключенный к фазам защищаемой сети, измерительный преобразователь тока нагрузки, интегрирующее звено и пороговый элемент, выход которого подключен к исполнительному органу, а вход - к выходу фильтра чередования фаз и измерительного преобразователя тока (датчик контроля перегрузки по току) через интегрирующее звено, причем преобразователь тока включен в одну из фаз защищаемой сети. Т. е. устройство содержит два вида датчиков - фильтр порядка чередования фаз и измерительный преобразователь тока, интегрирующее звено и пороговый элемент представляют собой один исполнительный элемент контроля, воздействующий на исполнительный орган с узлом индикации.

Недостатком прототипа является то, что: - устройство не обеспечивает защиту изменения сопротивления изоляции; - представлено на уровне структурной схемы; - некоторые утверждения, так как узлы структуры не раскрыты, носят декларативный характер, например, что устройство обеспечивает время-токовую защиту при перегрузке; - отсутствует связывающий узлы структурной схемы источник питания (а для таких узлов, как пороговое устройство - и стабилизатор напряжения).

Целью изобретения является улучшение показателей надежности, чувствительности, упрощения устройства, расширение функциональных возможностей путем создания токовой защиты с явно выраженной обратно-токовой характеристикой и защиты от обрыва фазы любого из групп двигателей.

Указанная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем два канала защиты - датчика контроля обрыва фазы и перекоса фаз и датчика контроля перегрузки по току, исполнительный элемент контроля и исполнительный орган, введенный датчик контроля сопротивления изоляции выполнен в виде датчика-фильтра нулевой последовательности, содержащего три конденсатора, подключенных первыми выводами к каждой из фаз сети, вторыми, соединенными между собой, к первому входу мостового выпрямителя, второй вход которого подключен к проводу "земля", выход мостового выпрямителя подключен к резистивному делителю напряжения, подключенного к исполнительному элементу контроля сопротивления изоляции; датчик контроля обрыва фазы и перекоса выполнен в виде датчика тока обратной последовательности, содержащего два трансформатора тока, первичные обмотки которых включены в две фазы сети, вторичные обмотки соединены последовательно. Первый выход первой из них подключен к одному из выводов резистивно-емкостно-резистивного делителя, второй вывод вторичной обмотки второго трансформатора тока - к второму выводу упомянутого делителя, точка соединения трансформаторов тока между собой - к точке соединения одного из резисторов конденсатора делителя; свободные выводы резисторов делителя подключены к мостовому выпрямителю с емкостным фильтром и резистивным делителем, выход которого подключен к входу исполнительного элемента контроля обрыва и перекоса фаз; датчик контроля перегрузки по току выполнен в виде трансформатора тока, включенного в любой фазный провод, резистивного делителя, подключенного к вторичной обмотке упомянутого трансформатора, к которой подключен второй резистивный делитель и мостовой выпрямитель с емкостным фильтром и третьим резистивным делителем, выход которого подключен к входу исполнительного элемента перегрузки по току; исполнительный элемент контроля сопротивления изоляции выполнен в виде компаратора на триггере Шмидта, второй вход которого подключен к выходу датчика контроля сопротивления изоляции, инвертора, выход которого подключен к катоду первого диода развязки исполнительного органа и к первому S-входу RS-триггера узла индикации; исполнительный элемент контроля обрыва фазы и перекоса фаз выполнен в виде ключевого усилителя, выход которого через RC-фильтр подключен к второму входу второго триггера Шмидта, выход которого через второй инвертор подключен к второму диоду развязки исполнительного органа и второму S-входу RS-триггера узла индикации; исполнительный элемент выполнен в виде компаратора на третьем триггере Шмидта, второй вход которого подключен к выходу датчика перегрузки по току, выход к ключевому усилителю, коллектор которого подключен к трем резисторам - резистору, соединенному с датчиком перегрузки по току, ограничительному резистору и резистору, в цепь которого установлен диод, причем точка соединения ограничительного резистора и анода диода подключена к положительному выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к общему проводу источника питания, параллельно упомянутому конденсатору включен резистивный делитель, средняя точка которого подключена к объединенному входу четвертого триггера Шмидта, выход которого через третий инвертор подключен к третьему диоду исполнительного органа и к третьему S-входу RS-триггера узла индикации, причем первые входы первого, второго и третьего триггеров Шмидта соединены между собой и подключены через ограничительный резистор к положительной шине источника питания; исполнительный орган выполнен в виде предварительного ключевого усилителя на транзисторе, на входе которого подключена диодная развязка с ускоряющим конденсатором, в цепи коллектора включен через ограничительный резистор светодиод тиристорной оптопары, фототиристор которой через второй ключевой усилитель подключен в цепь управления тиристором, который через мостовую схему подключен к управляющему электроду симистора, в анодной цепи которого установлена обмотка силового магнитного пускателя. Узел индикации выполнен на трехканальном RS-триггере, V-вход которого подключен к объединенной точке упомянутой выше диодной развязки, R-входы объединены и подключены через резистор и конденсатор к источнику питания, S-входы подключены к выходам исполнительных элементов контроля сопротивления изоляции, обрыва и перекоса фаз, перегрузки по току, инверсные выходы триггера через ограничительные резисторы и четвертый, пятый инверторы подключены к соответствующим светодиодам индикации аварийного состояния.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что предложенное устройство отличается наличием новых узлов и связей (например, датчиков контроля, исполнительных элементов и органа, узла индикации) и связями с остальными элементами.

Таким образом, заявленное устройство является новым, т.к. неизвестно из уровня техники.

Сравнение заявленного устройства с другими техническими решениями показывает, что при введении новых узлов с указанными связями с остальными элементами появляются новые свойства, такие как улучшенная электробезопасность, повышенная чувствительность, расширенный диапазон уставки перегрузок по току, защита от обрыва фазы любого из группы электродвигателей одним датчиком тока обратной последовательности. Это позволяет сделать вывод о том, что техническое решение имеет изобретательный уровень, т.к. для авторов оно явным образом не следует из уровня техники.

На фиг. 1. изображена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2-4 - структурно-принципиальная схема датчиков контроля; на фиг. 5 - векторная диаграмма работы датчика обрыва фазы и перекоса фаз; на фиг. 6-8 - структурно-принципиальные схемы исполнительных элементов контроля; на фиг. 9 - перегрузочная характеристика; на фиг. 10 - структурно-принципиальная схема исполнительного органа; на фиг. 11 - то же, узла индикации.

Устройство (фиг. 1) содержит датчик контроля сопротивления изоляции 1, связанный с тремя фазами сети и проводом "земля", датчик контроля обрыва фазы и перекоса фаз 2, связанный с двумя фазами сети, датчик контроля перегрузки по току 3, связанный с третьей фазой, исполнительный элемент контроля сопротивления изоляции 4, подключенный выходом к выходу датчика 1, исполнительный элемент контроля обрыва фазы и перекоса фаз 5, подключенный входом к датчику 2, исполнительный элемент контроля перегрузки по току 6, подключенный выходом к датчику 3; выходы исполнительных элементов 4-6 подключены к выходам исполнительного органа 7 и узла индикации 8; источником питания узлов устройства является стабилизатор напряжения 9.

Датчик контроля 1 (фиг. 2) содержит три конденсатора 10-12, подключенных первыми выводами к каждой из фаз сети, вторыми, соединенными между собой, к первому входу мостового выпрямителя 13, второй вход которого подключен к проводу "земля", выход мостового выпрямителя подключен к резистивному делителю напряжения 14, подключенному через элемент 15 к исполнительному элементу 4. Датчик 1 представляет собой датчик-фильтр напряжения нулевой последовательности. Датчик контроля 2 (фиг. 3) выполнен в виде датчика тока-фильтра обратной последовательности, содержащего два трансформатора тока 16 и 17, вторичные обмотки которых соединены последовательно, первичные обмотки включены в два фазных провода (например, A и B), первый вывод вторичной обмотки трансформатора 16 - к 18-20, образующим резистивно-емкостно-резистивный делитель, где 18 - первый резистор делителя, 19 - конденсатор делителя и 20 - второй резистор делителя, второй вывод вторичной обмотки трансформатора 17 - к выводу второго резистора делителя 20, не связанного с точкой соединения упомянутого резистора с конденсатором делителя 19, точка соединения трансформаторов тока 16 и 17 между собой подключена к точке соединения элементов 19 и 20, т.е. конденсатора делителя 19 и второго резистора делителя 20, свободные выводы резисторов делителя 18 и 20 подключены к мостовому выпрямителю 21, выход которого подключен к емкостному фильтру 22 и резистивному делителю 23, выход которого подключен к узлу 5 - исполнительному элементу контроля обрыва фазы и перекоса фаз.

Датчик контроля перегрузки по току 3 содержит трансформатор тока 24, первичная обмотка которого включена в любой, например, третий фазный провод, например C, к выходу упомянутого трансформатора 24 подключен второй резистивный делитель 25, выход которого подключен к входу мостового выпрямителя 26 с емкостным фильтром 27 и третьим резистивным делителем 28, выход которого подключен к входу исполнительного элемента 6.

Исполнительный элемент контроля сопротивления изоляции 4 (фиг. 6) выполнен в виде компаратора 29 на триггере Шмидта с инвертором 30, к первому входу триггера через резистор 31 подключена положительная шина источника питания 9, к второму входу подключены параллельно включенные конденсатор 32 и стабилитрон 33, элементом обратной связи является резистор 34, выход инвертора 30 подключен к входам 7 и 8, т.е. исполнительному органу и узлу индикации. Исполнительный элемент 5 (фиг.7) выполнен в виде ключевого усилителя 35, вход которого подключен к резистору 36, связанному с выходом датчика контроля обрыва и перекоса фаз 2, выход ключевого усилителя 35 через RC-фильтр 37 и 38 и резистор 39 подключен к второму входу второго триггера Шмидта 40, первый вход которого подключен к точке "а" резистора 31, выход - к входу второго инвертора 41, выход которого подключен к исполнительному органу 7 и углу индикации 8, резистор 42 одним выводом подключен к отрицательной шине источника питания 9, другим - к одному из входов узла 8 - узлу индикации.

Исполнительный элемент 6 (фиг. 8) выполнен в виде компаратора на третьем триггере Шмидта, к второму входу которого подключены последовательно соединенные резистор 44 и стабилитрон 45, первый вход упомянутого триггера подключен к точке "а" резистора 31, элементом обратной связи является резистор 46, выход триггера 43 через резистор 47 подключен к ключевому усилителю 48, коллектор которого подключен к трем резисторам - резистору 49, соединенному с датчиком 3 (положительным выводом конденсатора 27), ограничительным резистором 50 и резистором 51, в цепь которого установлен диод 52, точка соединения резистора 50 и анода диода 52 связана с положительным выводом конденсатора 53, второй вывод которого подключен к общему проводу (отрицательный полюс) источника питания 9, параллельно конденсатору 53 подключен резистивный делитель 54 и 55, средняя точка которого подключена к объединенному входу четвертого триггера Шмидта 56, выход которого через третий инвертор 57 подключен к входам узлов 7 и 8 - исполнительному органу и узлу индикации.

Исполнительный орган 7 (фиг. 10) выполнен в виде предварительного ключевого усилителя на транзисторе 58 на входе которого подключена диодная развязка, содержащая первый, второй и третий диоды 59, 60, 61, аноды диодов "b", "c", "e" подключены к соответствующим точкам - выходам узлов 4, 5, 6, т.е. к исполнительным элементам контроля сопротивления изоляции, обрыва фаз и перекоса фаз, перегрузки по току, точка f - к одному из входов узла 8, в цепи входного сигнала усилителя 58 установлены резисторы 62, 63 и ускоряющий конденсатор 64, в цепи коллектора через ограничительный резистор 65 включен светодиод тиристорной оптопары 66, фототиристор которой через второй ключевой усилитель на транзисторе 67, резисторах 68, 69, 70, включенных в цепь коллектора, базы и эмиттера упомянутого транзистора 67, подключен в цепь управления тиристором 71, который через мостовую схему 72, через элементы 73, 74, т. е. через ограничительные резисторы, подключен к цепи управления симистором 75, в анодной цепи которого включен управляющий элемент (обмотка) 76 силового магнитного пускателя (не показан), отключающего сеть в аварийных состояниях (не показаны также кнопки включения и отключения устройства в целом).

Узел индикации 8 (фиг. 11) выполнен на трехканальном RS-триггере 77, R-входы которых объедены между собой и через ограничительный резистор 42 (точка d) подключены к общей (отрицательной) шине источника питания 9, с другой стороны через конденсатор 78 подключены к положительной шине источника питания 9 точка соединения катодов диодов 59, 60, 61 (точка f подключена к V-входу триггера 77, входы триггера подключены к соответствующим точкам (b, c, e) исполнительных элементов контроля сопротивления изоляции, контроля обрыва фазы и перекоса фаз и перегрузки по току 4, 5, 6, инверсные выходы триггера через четвертый, пятый и шестой инверторы 79, 80, 81 через ограничительные резисторы 82, 83, 84 подключены к соответствующим светодиодам 85, 86, 87 индикации аварийного состояния. Источник питания - стабилизатор напряжения 9 выполнен, например, в виде простейшего параметрического стабилизатора с умощняющим транзистором.

Устройство работает следующим образом. В нормальном режиме работы, т.е. при отсутствии аварийных воздействий, напряжение на выходе датчика напряжения нулевой последовательности - датчика контроля сопротивления изоляции 1 равно нулю, компаратор 29 исполнительного элемента 4 находится в состоянии лог "1" на выходе, лог "O" на выходе элемента 30, транзистор ключевого усилителя 58 узла 7 закрыт, в закрытом состоянии находится оптопара 66, элементы 67 и 71, симистор 75 открыт и обмотка 76 находится под напряжением, т.е. силовой магнитный пускатель включен. Датчик контроля обрыва фазы и перекоса фаз - датчик тока обратной последовательности (основные расчетные соотношения которого R₂₀=2R₁₈ и X_c19= ; в нормальном режиме работы на входе мостового выпрямителя 21 напряжение U_mn=0 (см. фиг. 5), двухкаскадный усилитель 35 закрыт, на входе триггера 40 - лог "1", на выходе инвертора 41 - лог. "0", транзистор ключа 58 закрыт, симистор 75 открыт и обмотка 76 под напряжением. Датчик контроля перегрузки по току 3 находится в таком состоянии, что напряжение на выходе компаратора равно лог. "1", ключ на транзисторе 48 открыт, конденсатор 53 разряжен (цепь разряда через резисторы 50, 51 и диод 52; цепь заряда через резисторы 49, 50), триггер 56 отключен, на выходе инвертора - лог. "0", симистор 75 открыт, отмотка 76 находится под напряжением. На выходах триггера 77 уровень сигнала таков, что светодиоды 85, 86, 87 не горят. Входы S RS-триггера являются информационными, V и R - установочными.

В аварийном режиме при нарушении симметрии изоляции любой из фаз сети по отношению к "земле" или касании человеком токоведущих частей на выходе датчика 1 появляется напряжение нулевой последовательности: , где U₀ - напряжение нулевой последовательности; U_ф - фазное напряжение (в данном случае - напряжение между фазой и землей); q_зн - проводимость цепи замыкания (фаза - земля);
γ_из - проводимость цепи изоляции;
q₀ - проводимость нулевой последовательности (т.е. датчика, включая резисторы). Напряжение на выходе датчика 1 включает исполнительный элемент 4 (все его узлы переходят в противоположное состояние), включается исполнительный орган 7, т.е. включается элемент 66, закрывается транзистор 67, отключается цепь управления тиристора 71, цепь управления симистором 75, обрывается цепь питания обмотки 76 и загорается светодиод 85, свидетельствующий о характере аварии. При обрыве фазы любого из группы электродвигателей или нарушении соотношения между фазами появляется напряжение разбаланса (см. векторную диаграмму фиг. 5), которое инвертирует в конечном итоге все активные элементы узлов 5 и 7, т.е. исполнительного элемента контроля обрыва фазы и перекоса фаз и исполнительного органа, обрывая цепь питания обмотки 76 и включая светодиод 86. При перегрузке по току напряжение на выходе датчика 3 становится таким, что транзистор 48 узла 6 - исполнительного элемента контроля перегрузки по току, закрывается и конденсатор 53 начинает заряжаться. Время заряда будет определяться величиной напряжения на датчике 3, т.е. элементы 49, 50, 51, 52, 53 реализуют обратную зависимость времени заряда от кратности перегрузки, т.е. чем больше ток перегрузки, тем меньше время заряда конденсатора 53. Характер перегрузочной (гиперболическая кривая) характеристики представлен на фиг. 9, t_ср - время срабатывания, I_н/I_у - кратность перегрузки. В дальнейшем устройство работает как было описано ранее, т. е. отключается цепь управления симистором 75, обрывается цепь питания обмотки 76, загорается светодиод 87, свидетельствующий, что характер неисправности - перегрузка по току. Таким образом, предложенное устройство обладает рядом существенных преимуществ, позволяет надежно и эффективно защищать, например, путевой электроинструмент от наиболее характерных аварийных ситуаций, а также генератор, питающий электроинструмент (обычно генератор с изолированной нейтралью). Приведенные данные и сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения.

Формула изобретения

Устройство комплексной защиты электротехнической системы, содержащее датчик контроля обрыва фазы и перекоса фаз, датчик контроля перегрузки по току и испольнительный орган, отличающееся тем, что введенный датчик контроля сопротивления изоляции выполнен в виде датчика-фильтра напряжения нулевой последовательности, содержащего три конденсатора, подключенных первыми выводами к каждой из фаз сети, вторыми, соединенными между собой, - к первому входному выводу первого мостового выпрямителя, второй входной вывод которого подключен к проводу "Земля", выход мостового выпрямителя подключен к первому резистивному делителю напряжения, подключенному к исполнительному элементу контроля сопротивления изоляции, датчик контроля обрыва фазы и перекоса фаз выполнен в виде датчика тока - фильтра обратной последовательности, содержащего два трансформатора тока, первичные обмотки которых включены в две фазы сети, вторичные обмотки соединены последовательно, первый вывод вторичной обмотки первого из них подключен к одному из выводов резистивно-емкостно-резистивного делителя, второй вывод вторичной обмотки второго трансформатора тока - к второму выводу упомянутого делителя, точка соединения вторичных обмоток трансформаторов тока между собой - к точке соединения одного из резисторов и конденсатора резистивно-емкостно-резистивного делителя, свободные выводы резисторов резистивно-емкостно-резистивного делителя подключены к второму мостовому выпрямителю с емкостным фильтром и вторым резистивным делителем, выход которого подключен к входу исполнительного элемента контроля обрыва фазы и перекоса фаз, датчик контроля перегрузки по току выполнен в виде третьего трансформатора тока, включенного первичной обмоткой в один из фазных проводов, третьего резистивного делителя, подключенного к вторичной обмотке упомянутого трансформатора тока, к которой подключены четвертый резистивный делитель и третий мостовой выпрямитель с емкостным фильтром и пятым резистивным делителем, выход которого подключен к входу исполнительного элемента контроля перегрузки по току, исполнительный элемент контроля сопротивления изоляции выполнен в виде компаратора на первом триггере Шмидта, второй вход которого подключен к выходу датчика контроля сопротивления изоляции, и первого инвертора, выход которого подключен к первому диоду развязки исполнительного органа и первому S-входу RS-триггера узла индикации, исполнительный элемент контроля обрыва фазы и перекоса фаз выполнен в виде первого ключевого усилителя, выход которого через RS-фильтр подключен к второму входу второго триггера Шмидта, выход которого через второй инвертор подключен к второму диоду развязки исполнительного органа и второму S-входу RS-триггера узла индикации, исполнительный элемент контроля перегрузки по току выполнен в виде компаратора на третьем триггере Шмидта, второй вход которого подключен к выходу датчика контроля перегрузки по току, а выход - к второму ключевому усилителю, коллектор которого подключен к трем резисторам - резистору, соединенному с датчиком контроля перегрузки по току, первому ограничительному резистору и резистору, в цепь которого установлен диод, причем точка соединения первого ограничительного резистора и диода подключена к положительному выводу конденсатора, второй вывод которого подключен к общему проводу источника питания, параллельно упомянутому конденсатору включен шестой резистивный делитель, средняя точка которого подключена к объединенному входу четвертого триггера Шмидта, выход которого через третий инвертор подключен к третьему диоду развязки исполнительного органа и третьему S-входу RS-триггера узла индикации, причем первые входы первого, второго и третьего триггеров Шмидта соединены между собой и подключены через второй ограничительный резистор к положительной шине источника питания, исполнительный орган выполнен в виде предварительного ключевого усилителя на транзисторе, на входе которого подключена диодная развязка с ускоряющим конденсатором, в цепи коллектора включен через третий ограничительный резистор светодиод тиристорной оптопары, фототиристор которой через третий ключевой усилитель подключен в цепь управления тиристором, который через мостовую схему подключен к управляющему электроду симистора, в анодной цепи которого установлена обмотка магнитного пускателя, узел индикации выполнен на трехканальном RS-триггере, V-вход которого подключен к объединенной точке упомянутой диодной развязки, R-входы объединены и подключены через резистор и конденсатор к источнику питания, инверсные выходы RS-триггера через четвертый, пятый и шестой инверторы и четвертый, пятый и шестой ограничительные резисторы подключены к соответствующим светодиодам индикации аварийного состояния.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11