Устройство токовой защиты для цепей постоянного тока

 

Изобретение может быть использовано в устройствах токовой защиты и применено в качестве максимального расцепителя тока в автоматических выключателях. Содержит выпрямитель, измерительный элемент, исполнительный орган и блок питания, вход которого подключен к защищаемой цепи. Блок питания содержит, кроме выпрямителя, два транзистора, два резистора и стабилитрона. Схема обеспечивает работу устройства при различных значениях напряжения защищаемой цепи, которые могут отличаться в 10 раз. Это повышает надежность и удобства при производстве и эксплуатации. 1 ил.

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности, к устройствам токовой защиты.

Известны устройства токовой защиты для цепей постоянного тока (1 - 8), в том числе с питанием от напряжения защищаемой цепи постоянного тока (9).

Наиболее близким к предлагаемому является устройство (10).

Оно содержит состоящий из входного реле, контура выдержки времени, преобразователя постоянного тока в переменный, выходного каскада и управляемого ключа управляющий блок защиты, ко входу которого подключен выход измерительного элемента, к выходу - электромагнитный расцепитель, а у цепям питания - выходы блока питания, включающего в себя диодный мост, одна диагональ которого является входом блока питания и подключена к шинам защищаемой цепи, другая диагональ - к первым выводам балластного резистора и стабилитрона, первый и второй выводы которого являются выходами блока питания, а второй вывод резистора соединен со вторым выводом стабилитрона.

Величина сопротивления балластного резистора определяется напряжением U_п питания управляющего блока защиты, током потребления I_п и номинальным напряжением защищаемой цепи U. Ток потребления I_п складывается из токов потребления узлов управляющего блока защиты и тока через стабилитрон. Сумма токов потребления узлов в процессе работы устройства изменяется мало; диапазон допустимых минимального и максимального значений допустимых токов через стабилитрон невелик; следовательно, при постоянном значении величины сопротивления балластного резистора напряжение U защищаемой цепи может изменяться в очень небольшом диапазоне.

Это является недостатком устройства, т.к. необходимость изменения сопротивления балластного резистора в зависимости от напряжения U приводит к определенным эксплуатационным неудобствам или к вариантам исполнения устройства защиты, что неудобно в производстве у изготовителя.

В реальной схеме устройства (10), описанной в (11), в соответствии с диапазоном возможных значений U балластное сопротивление состоит из нескольких резисторов, коммутируемых переключателем, что снижает надежность работы устройства.

Задача предлагаемого устройства - повышение надежности и удобства при изготовлении и эксплуатации.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройство токовой защиты для цепей постоянного тока, содержащее управляющий блок защиты, ко входу которого подключен выход измерительного элемента, к выходу - электромагнитный расцепитель, а к цепям питания - выходы блока питания, включающего в себя диодный мост, одна диагональ которого является входом блока питания и подключена к шинам защищаемой цепи, другая диагональ - к первым выводам резистора и стабилитрона, а первый и второй выводы стабилитрона являются выходами блока питания, дополнительно введены два транзистора и второй резистор, коллектор первого транзистора подключен к первому выводу первого резистора, база - ко второму выводу первого резистора и к коллектору второго транзистора, эмиттер первого транзистора соединен с базой второго транзистора и с первым выводом второго резистора, а эмиттер второго транзистора - со вторыми выводами второго резистора и стабилитрона.

На чертеже приведена структурная схема устройства. Оно содержит управляющий блок защиты 1, ко входу которого подключен выход измерительного элемента 2, к выходу - электромагнитный расцепитель 3, к цепям питания - выходы блока питания 4, включающего в себя диодный мост 5, одна диагональ которого является входом блока питания 4 и подключена к шинам 6 защищаемой цепи, другая диагональ - к первым выводам резистора 7 и стабилитрона 8; первый и второй выводы стабилитрона 8 являются выходами блока питания 4, в который введены также первый транзистор 9, второй транзистор 10 и второй резистор 11. Коллектор первого транзистора 9 подключен к первому выводу первого резистора 7, база - ко второму выводу первого резистора 7 и к коллектору второго транзистора 10, эмиттер первого транзистора 9 соединен с базой второго транзистора 10 и с первым выводом второго резистора 11, а эмиттер второго транзистора 10 - со вторыми выводами второго резистора 11 и стабилитрона 8.

При увеличении тока в защищаемой цепи 6 возрастает напряжение на выходе измерительного элемента 2; когда оно превысит заданную уставку, управляющий блок защиты 1 подает напряжение на электромагнитный расцепитель 3, который отключает выключатель 12.

Для определения допустимых значений напряжения U защищаемой цепи, при которых блок питания 4 нормально может функционировать, рассмотрим два предельных режима его работы: U = U_min ,(1) U = U_max .(2) Для приведенной схемы блока питания справедливо равенство U = U_кэ1 + U_бэ2 + U_п, (3) где U_кэ1 - напряжение между коллектором и эмиттером первого транзистора 9; U_бэ2 - напряжение между базой и эмиттером второго транзистора 10.

В режиме (1) транзистор 9 - насыщен, транзистор 10 - закрыт. При этом допустимо считать, что U_кэ1 = 0; U_бэ2 < 1B; тогда из (3) следует U_min ≈ U_п .(4) Для обеспечения закрытого состояния транзистора 10 сопротивление резистора 11 должно удовлетворять неравенству
R₁₁ ≅ U_бэ2/I_п ≅ 1/I_п .(5)
Для обеспечения насыщенного состояния транзистора 10 должно удовлетворяться условие
,(6)
где
R₇, R₁₁ - соответственно величина сопротивления резисторов 7, 11;
β - коэффициент усиления транзистора 9.

После несложных преобразований из (6) с некоторыми допущениями
.(7)
В режиме (2) транзистор 9 закрыт по цепи коллектора, транзистор 10 - насыщен; при этом справедливо
U ≈ I_п · R₇ + U_п. (8)
Из (8) и (7) наибольшее значение U:
U_max≈ (β+1)U_min .(9)
Как следует из (9), минимальное и максимальное значения напряжения U защищаемой цепи могут отличаться по крайней мере в 10 раз. Реально эти значения ограничиваются допустимыми токами и напряжениями транзисторов, но этого достаточно для обеспечения практических потребностей, т.к. для промышленных сетей постоянного тока применяются напряжения 110, 220 и 440В, а с учетом допустимых предельных значений от 0,8 до 1,1 номинального, т.е. от 88 до 484 В, или в 5,5 раза.

Таким образом, предлагаемое устройство устраняет необходимость коммутации балластных резисторов в зависимости от напряжения U защищаемой цепи, что повышает надежность и удобства при его производстве и эксплуатации.

Источники информации
1. А.С. СССР N 1064363, H 02 H 3/08, 1983.

2. А.С. СССР N 1008839, H 02 H 3/08, 1985.

3. А.С. СССР N 1228178, H 02 H 3/08, 1986.

4. А.С. СССР N 1390685, H 02 H 3/08, 1988.

5. А.С. СССР N 1422284, H 02 H 3/08, 1988.

6. А.С. СССР N 1658269, H 02 H 3/08, 1991.

7. А.С. СССР N 1661895, H 02 H 3/08, 1991.

8. А.С. СССР N 1704212, H 02 H 3/08, 1992.

9. А.С. СССР N 1261039, H 02 H 3/08, 1986.

10. А.С. СССР N 160741, кл. 21с, 6850, МПК H 02, 1961.

11. Блоки полупроводниковые серии БПР11 и БПР22 максимального расцепителя. Техническое описание ИГПН.656111004ТО.

Формула изобретения

Устройство токовой защиты для цепей постоянного тока, содержащее управляющий блок защиты, ко входу которого подключен выход измерительного элемента, к выходу - электромагнитный расцепитель, а к цепям питания - выходы блока питания, включающего в себя диодный мост, одна диагональ которого является входом блока питания и подключена к шинам защищаемой цепи, другая диагональ - к первым выводам первого резистора и стабилитрона, а первый и второй выводы стабилитрона являются выходами блока питания, отличающееся тем, что в него дополнительно введены два транзистора и резистор, коллектор первого транзистора подключен к первому выводу первого резистора, база - ко второму выводу первого резистора и к коллектору второго транзистора, эмиттер первого транзистора соединен с базой второго транзистора и с первым выводом второго резистора, а эмиттер второго транзистора - со вторыми выводами второго резистора и стабилитрона.

РИСУНКИ

Рисунок 1