Способ формирования сравниваемых компаратором электрических величин во времяимпульсном омметре релейной защиты и автоматики

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в повышении точности и надежности защиты. Способ заключается в формировании подводимых к соответствующим входам компаратора омметра защиты двух электрических величин, причем вторая из этих величин вызывает несрабатывание компаратора и является напряжением постоянного тока, полученным возведением в положительную степень n≥1 напряжения, которое функционально связано с абсолютным значением модуля синусоидального напряжения на петле короткого замыкания, а первый электрический сигнал вызывает срабатывание компаратора, является несинусоидальным напряжением, и который согласно изобретению получают в результате возведения в положительную степень m≥1 синусоидального напряжения, функционально связанного с мгновенным значением синусоидального тока петли короткого замыкания, причем степени m и n одновременно не равны единице, и при их равенстве на выходе компаратора в процессе времени существования короткого замыкания формируется последовательность импульсов, длительность которых связана, например, с величиной модуля полного входного сопротивления петли короткого замыкания. 7 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к измерительному органу релейной защиты и противоаварийной автоматики со свойствами омметра защиты, который при коротком замыкании на контролируемом защитой электротехническом объекте системы электроснабжения (линия электропередачи, блок трансформатор-линия электропередачи, генератор, электродвигатель и другие объекты) промышленной частоты f, например f=50 Гц, генерирует некоторый выходной аналоговый электрический сигнал u_вых, у которого хотя бы один из параметров функционально связан, например, с модулем z_кз комплексного входного сопротивления петли короткого замыкания при коротком замыкании на контролируемом омметром защиты объекте, что, например, при повреждении на линии электропередачи позволяет определить расстояние l_кз до места короткого замыкания, так z_кз=z_уд·2l_кз, где z_уд - модуль полного удельного сопротивления линии электропередачи; построить дистанционную защиту с временем срабатывания защиты t_c.з, функционально связанную с величиной сопротивления z_кз, т.е. t_с.з(z_кз); построить многоступенчатую дистанционную защиту [Федосеев В.А. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия. 1976 г. С.228-220, 246-248].

Известно функционирующее как омметр защиты реле сопротивления [А.с. №605274, Реле сопротивления / В.А.Мамаев - №2411336/24-07; заявл. 11.10.76; опубл. 30.04.78, бюл. №16], в котором используют нуль-индикатор с двумя входами и одним выходом, и для решения задачи получения выходного аналогового электрического сигнала u_вых на его выходе, функционально связанного с величиной модуля z_кз входного комплексного сопротивления петли короткого замыкания при повреждении на контролируемом реле объекте электротехнического назначения, использован способ формирования сравниваемых нуль-индикатором двух электрических величин, в основе которого вызывающее срабатывание нуль-индикатора первая электрическая величина является несинусоидальным рабочим напряжением u_p.кз(t) и представляет смещенный относительно оси времени t синусоидальный электрический сигнал, причем напряжение u_p.кз(t) формируют путем суммирования двух электрических сигналов, при этом первое слагаемое, а именно , линейно связано с абсолютным значением модуля вектора тока мгновенного синусоидального тока i_кз(t)=I_m.кз·sin(2π·f·t), протекающего в петле короткого замыкания, а второе слагаемое, равное k₃·i_кз(t), линейно связано с мгновенным значением синусоидального тока короткого замыкания i_кз(t), т.е. в основе способа формирования вызывающего срабатывание компаратора первой электрической величины u_p.кз(t) используют выражение

которое является несинусоидальной функцией и в реле сопротивления технически реализуют посредством двух линейных четырехполюсника с постоянными коэффициентами передачи соответственно k₁ и k₃, при этом вызывающая несрабатывание нуль-индикатора вторая электрическая величина является тормозным напряжением U_т.кз постоянного тока, которое функционально связано с абсолютным значением модуля комплексного напряжения на петле короткого замыкания, т.е.

и которое в реле сопротивления технически реализуют посредством линейного четырехполюсника с постоянным коэффициентом передачи k₂, причем рабочее напряжение u_p.кз(t) подано на первый вход нуль-индикатора, а тормозное напряжение U_т.кз на его второй вход, при этом при коротком замыкании в пределах контролируемой реле сопротивления зоны ответственности, определяемой уставкой z_y, на выходе нуль-индикатора схемы сравнения двух электрических величин формируется последовательность прямоугольных импульсов, длительность Δt которых функционально связана с сопротивлением z_кз петли короткого замыкания, т.е. Δt(z_кз) причем максимальная величина диапазона изменения длительности Δt, соответствующая условию z_кз=0, определяется соотношением коэффициентов k₁ и k₃ в выражении (1).

Недостатками реле сопротивления по [А.с. №605274] являются повышенная погрешность в определении величины z_кз на границе зоны срабатывания, т.е. когда z_кз≅z_y, что обусловлено конечной чувствительностью нуль-индикатора схемы сравнения, а также проявляющейся при этом нелинейностью коэффициента k₁, так как при реальной технической реализации анализируемого реле сопротивления для получения модуля тока , входящего в структуру выражения (1), используют четырехполюсник, включающий выпрямительную схему, у которой в рассматриваемых условиях проявляются нелинейные свойства.

В качестве основного прототипа предлагаемому изобретению можно указать на известный способ формирования сравниваемых компаратором электрических величин во времяимпульсном измерительном органе сопротивления (омметре защиты) [Патент RU №2336590. Способ формирования сравниваемых компаратором электрических величин во времяимпульсном измерительном органе сопротивления (омметре защиты) /В.А.Мамаев (RU)/ - №2007128680/09; заявл. 25.07.2007; опубл. 20.10.2008, бюл. №29], который обеспечивает повышение точности работы измерительного органа на границе его срабатывания за счет уменьшения влияния конечной чувствительности его компаратора, причем согласно прототипу положительный эффект получен в результате повышения скорости изменения мгновенного значения, вызывающего срабатывание первой электрической величины u_р.кз(t), которая вызывает срабатывание компаратора и является мгновенным значением рабочего напряжения, причем для решения задачи по повышению скорости изменения мгновенного значения напряжения решена путем возведения в положительную степень m≥1 модуля мгновенного значения электрического сигнала, функционально связанного с мгновенным значением синусоидального тока i_кз(t) петли короткого замыкания, т.е.

а вызывающая несрабатывание компаратора вторая электрическая величина является тормозным напряжением U_т.кз постоянного тока, которую получают возведением в положительную степень n≥1 абсолютного значения напряжения постоянного тока, функционально связанного с величиной абсолютного значения модуля мгновенного значения синусоидально изменяющегося напряжения u_кз(t) на петле короткого замыкания, т.е.

где в выражениях (3) и (4) k₁ и k₂ - постоянные коэффициенты преобразования соответствующих электрических величин, причем степени m и n в выражениях (3) и (4) одновременно не равны единице, и при равенстве степеней m=n получают омметр защиты, у которого длительность электрических импульсов Δt на выходе компаратора однозначно связана с модулем входного сопротивления линии до места короткого замыкания z_кз, т.е. Δt(z_кз), где .

Недостатком способа формирования подводимых к компаратору сравниваемых электрических величин во времяимпульсном измерительном органе сопротивления (омметре защиты) по патенту RU №2336590 является то, что при его схемотехнической реализации необходимо использовать выпрямительную схему для формирования модуля мгновенного значения электрического сигнала, определяемого произведением , которая усложняет измерительный орган и этим снижает его надежность, кроме того, при малых электрических сигналах, соответствующих току короткого замыкания i_кз(t) на границе срабатывания измерительного органа, проявляются нелинейные свойства выпрямительной схемы, что сказывается на форме мгновенного значения рабочего напряжения u_р.кз(t), и, как следствие, снижается точность получения информации о величине сопротивления z_кз петли короткого замыкания через длительность Δt генерируемых на выходе компаратора электрических импульсов при сопротивлениях, близких к сопротивлению уставки z_y, т.е. при z_кз≅z_y.

Технический результат в сравнении с прототипом [Патент RU №2336590] и достигаемый с использованием предлагаемого изобретения при синтезе времяимпульсного омметра защиты и автоматики, содержащего компаратор с двумя входами, один из которых является рабочим, а другой тормозным, состоит в повышении надежности и точности работы омметра защиты во всем диапазоне изменения входного сопротивления z_кз при коротком замыкании в пределах заданной уставкой срабатывания z_y его зоны ответственности, т.е. в диапазоне z_кз≤z_y, и которые обеспечивают отличным от прототипа способом формирования подводимого к рабочему входу компаратора первой электрической величины u_p.кз(t), и заключается в том, что в положительную степень m возводят синусоидальное напряжение k₁·i_кз(t), функционально связанное постоянным коэффициентом k₁ с мгновенным значением синусоидального тока i_кз(t), т.е. вызывающая срабатывание компаратора первая электрическая величина является рабочим напряжением u_p.кз(t), в основе формирования которой используют выражение

при этом вызывающая несрабатывание компаратора вторая электрическая величина является тормозным напряжением U_T, которое формируют также, что в прототипе, т.е. согласно выражению (4), причем положительные степени m и n соответственно в выражениях (5) и (4) одновременно не равны единице, и при равенстве степеней m=n получают времяимпульсный омметр защиты и автоматики, у которого длительность электрических импульсов Δt на выходе компаратора однозначно связана с модулем z_кз входного сопротивления линии петли короткого замыкания, т.е. Δt(z_кз), причем при выборе величины степени m в общем случае предпочтительно использовать нечетные положительные степени. При четной целой положительной степени m, например m=2, способ формирования первой электрической величины, а именно рабочего напряжения u_p.кз(t), по предлагаемому изобретению обеспечивает получение несинусоидального напряжения в виде гармонического сигнала с удвоенной промышленной частотой (2·f), смещенной относительно оси времени t на половину амплитуды (0,5·k₁·I_m.кз), т.е. согласно предлагаемому способу эффект смещения гармонического сигнала относительно оси времени t достигнут отличным от способа, используемого в [А.с. №605274].

При использовании при формировании рабочего (5) и тормозного (4) электрических величин неравных степеней m и n (m≠n) на выходе компаратора времяимпульсного измерительного органа защиты и автоматики генерируются импульсы выходного напряжения u_вых, длительность Δt которых уже не будет однозначно связана с модулем z_кз входного сопротивления петли короткого замыкания, причем порядок этой неоднозначности связан с величиной отношения степеней m и n (например, отношения m/n), причем чем ближе это отношение к единице, тем по своим параметрам времяимпульсный измерительный орган будет ближе к времяимпульсному омметру защиты и автоматики, когда при формировании соответствующих электрических величин используют степени m=n.

В предлагаемом способе формирования подводимых к компаратору времяимпульсного омметра защиты и автоматики электрических величин при частоте f=50 Гц изменение сопротивления короткого замыкания z_кз в пределах зоны ответственности омметра защиты (z_кз≤z_y) кодируется в длительности Δt выходного напряжения u_вых компаратора, изменяющегося в диапазоне от 0 до 10 мс.

Таким образом, с целью повышения надежности и точности функционирования времяимпульсного омметра релейной защиты и автоматики, обладающего функцией определения в момент короткого замыкания величины входного сопротивления контролируемого объекта электротехнического назначения при коротком замыкании на нем, расширения его функциональных возможностей, надежности и точности работы, согласно изобретению предложен способ формирования подводимых к его компаратору электрических величин, и который содержит компаратор, имеющий два входа и один выход, причем на выходе при коротком замыкании формируется последовательность, например, прямоугольных электрических импульсов с длительностью Δt, при этом подаваемая на его второй вход вызывающая несрабатывание компаратора вторая электрическая величина U_т.кз является возведенным в положительную степень n≥1 абсолютного значения модуля

синусоидально изменяющейся величины u_кз(t), пропорциональной напряжению на петле короткого замыкания, отличающийся тем, что подаваемую на первый вход компаратора вызывающую его срабатывание вторую электрическую величину u_р.кз(t) получают возведением в положительную степень m≥1 мгновенного значения синусоидальной величины k₁·i_кз(t), пропорционального синусоидальному току i_кз(t) петли короткого замыкания, причем степени m и n одновременно не равны единице, и при равенстве степеней m=n получают омметр релейной защиты и автоматики, у которого длительность электрических импульсов Δt на выходе компаратора однозначно связана с модулем z_кз входного сопротивления петли короткого замыкания, при этом k₁ и k₂ - постоянные коэффициенты, определяющие уставку z_y=k₁/k₂ срабатывания времяимпульсного омметра защиты и автоматики.

Теоретической основой функционирования времяимпульсного омметра защиты и автоматики со способом формирования согласно изобретению рабочего и тормозного напряжения, подводимых соответственно к первому и второму входам его компаратора, при бесконечной чувствительности компаратора и постоянных коэффициентах k₁ и k₂ во всем динамическом диапазоне изменения подводимых к входам компаратора электрических величин являются нижеследующие выражения (6), определяющие временной интервал Δt, когда при коротком замыкании в зоне ответственности времяимпульсного омметра защиты и автоматики мгновенное значение вызывающей срабатывание компаратора первой электрической, а именно рабочего напряжения u_p.кз(t) (5), превышает величину второй электрической величины U_т.кз (4), являющейся тормозным напряжением постоянного тока, т.е.

где t₁ - фиксируемый компаратором момент наступления равенства мгновенного значения рабочего напряжения u_p.кз(t₁) и тормозного напряжения U_т.кз.

Время t₁ в общем случае определяется из трансцендентного уравнения

где U_кз и I_кз - соответственно действующие значения синусоидальных напряжения u_кз(t) на петле короткого замыкания и тока i_кз(t) короткого замыкания в ней.

Использование при формировании первой электрической величины u_p.кз(t) (5) математической операции возведения в положительную степень m электрической величины k₁·i_кз(t) обуславливает то, что рабочее напряжение u_р.кз(t) является несинусоидальным, и в зависимости от значения степени m содержит или не содержит постоянную составляющую.

При равенстве положительных степеней, т.е. m=n, выражение (7) преобразуется к виду

где - сопротивление уставки омметра защиты; - относительное входное сопротивление короткого замыкания контролируемого омметром защиты и автоматики объекта электротехнического назначения и которое изменяется в пределах от 1 при z_кз=z_y до 0 при z_кз=0.

Совместным решением уравнений (6) и (8) является выражение

Из выражения (9) следует, что при одинаковых положительных степенях m=n в выражении (7) измерительный орган со способом формирования подводимых к компаратору электрических величин по предлагаемому изобретению может быть классифицирован как омметр защиты и автоматики, так как при коротком замыкании в пределах контролируемой им зоны ответственности на выходе компаратора генерируются импульсы выходного напряжения u_вых, длительность Δt (9) которых однозначно связана с модулем относительного входного сопротивления контролируемого объекта электротехнического назначения при коротком замыкании на нем.

Выражению (9) соответствует проходная характеристика омметра защиты и автоматики арккосинусоидального вида и при частоте f=50 Гц интервал времени Δt, в котором кодируется информация об относительном сопротивлении короткого замыкания, изменяется от 0 (при ) до 10 мс (при ).

Использование в предлагаемом изобретении при формировании первой электрической величины u_p.кз(t) (5) нечетной положительной степени m позволяет получить напряжение в виде несинусоидальной периодической последовательности импульсов и в этом случае для функционирования компаратора возникает необходимость в формировании модуля мгновенного значения рабочего напряжения u_p.кз(t).

Для получения большей точности работы омметра защиты и автоматики на границе срабатывания, т.е. при , необходимо, чтобы амплитудное значение несинусоидального напряжения u_p.кз(t) было больше 1 B.

Фиг.1, 2, 3, 4 и 5 поясняют функционирование времяимпульсного измерительного омметра защиты и автоматики со способом формирования подводимых к первому рабочему входу и ко второму тормозному входу компаратора электрических величин, причем подводимую к первому входу компаратора электрическую величину u_p.кз(t) формируют согласно предлагаемому изобретению. Характер изменения мгновенного значения первой электрической величины u_p.кз(t), являющейся для компаратора рабочим напряжением, и второй электрической величины U_т.кз, являющейся для компаратора тормозным напряжением постоянного тока, приведен фиг.2 и 3 для вариантов, когда при их формировании используют положительные и равные степени m и n, большие единице (m=n>1).

На фиг.1 приведена синусоидально изменяющаяся электрическая величина k₁·i_кз(t), пропорциональная току короткого замыкания i_кз(t) при повреждении внутри контролируемой омметром защиты зоны ответственности, например в точке K2 на линии электропередачи (фиг.5), причем частота f принята равной 50 Гц (период T=20 мс).

На фиг.2а приведена зависимость мгновенного значения первой электрической величины u_p.кз(t), подводимого к первому рабочему входу Вх. 1 компаратора 3 омметра защиты (фиг.4) для частного случая, когда при формировании электрического сигнала u_p.кз(t) согласно (5) используют целую положительную степень, например m=2.

На фиг.2а для степени n=2 приведено сформированное согласно (4) положение второго электрического сигнала U_т.кз(t) постоянного тока, и подведенного к тормозному входу Вх.2 компаратора 3 (фиг.4). Это напряжение функционально связано с напряжением u_p.кз(t) на петле короткого замыкания при повреждении, например, в точке K2 (фиг.5). При коротком замыкании в зоне ответственности омметра защиты (z_кз≤zy, точка K1 на фиг.5 соответствует условию z_кз=z_y) на выходе Вых. компаратора 3 формируется последовательность импульсов, например прямоугольных, длительность Δt которых соответствует тем моментам времени, когда мгновенное значение рабочего напряжения u_p.кз(t) превышает значение тормозного напряжения U_т.кз постоянного тока (фиг.2а), при этом согласно (6) длительность Δt будет функционально связана с модулем z_кз входного сопротивления петли короткого замыкания, и применительно к линии электропередачи с удаленностью l_кз места повреждения на ней (точка K2, фиг.5).

На фиг.2б приведены кривые рабочего u_p.кз(t) и тормозного U_т.кз напряжений для случая, когда для их формирования используют нецелые положительные числа, например, когда m=n=2,01, т.е. незначительно отличаются от целых положительных степеней m=n=2. В этом случае форма мгновенного рабочего напряжения u_p.кз(t) представляет собой однополярные импульсы, повторяющиеся через полупериод промышленной частоты (T/2) при частоте появления этих импульсов, равной промышленной частоте f=50 Гц, причем форма импульсов из-за малого отличия степени n=2,01 от n=2 практически повторяет форму импульсов напряжения u_p.кз(t) на соответствующих интервалах времени, когда при формировании рабочего напряжения u_p.кз(t) (5) используют целую степень n=2. Применение нецелых степеней m и n при формировании подводимых к компаратору соответствующих напряжений может быть реализовано программно при микропроцессорном выполнении омметра защиты и автоматики.

На фиг.3б в качестве примера приведены форма мгновенных значений рабочего напряжения u_p.кз(t) и тормозное напряжение U_т.кз постоянного тока при формировании этих напряжений с использованием положительных нечетных, но целых равных степеней, например m=n=3. При нечетных целых положительных степенях m мгновенного значения рабочее напряжение u_p.кз(t) из-за отсутствия в его структуре постоянной составляющей не имеет смещения относительно оси времени t (фиг.3б). В этом случае, чтобы подать на первый вход Вх.1 компаратора 3 (фиг.4) однополярные импульсы, сформированное на выходе блока 2 напряжение u_p.кз(t) следует обработать формирователем модуля мгновенного значения электрических величин, чтобы к входу Вх.1 компаратора 3 (фиг.4) были подведены импульсы , являющиеся модулем мгновенного значения рабочего напряжения u_p.кз(t) (фиг.3а), что может быть выполнено, например, схемой формирователя модуля мгновенного значения электрической величины [Ванин В.К., Павлов Г.М. Релейная защита на элементах вычислительной техники. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983. С.59-61]. При нецелой положительной степени m, например m=3,01, формируются однополярные импульсы (фиг.3б), которые можно непосредственно подавать на первый вход Вх.1 компаратора 3 (фиг.4).

На фиг.4. приведена блок-схема возможного варианта выполнения времяимпульсного омметра защиты и автоматики со способом формирования подводимых к его компаратору электрических величин для случая, когда при формировании рабочего напряжения u_р.кз(t) не используют целую нечетную положительную степень m. На фиг.4 обозначены: 1 - узел с постоянным коэффициентом передачи k₁, формирующий из синусоидального тока i_кз(t) на своем выходе пропорциональную этому току электрическую величину, равную k₁·i_кз(t); 2 - блок возведения в степень m, формирующий согласно выражению (5) на своем выходе первую электрическую величину u_р.кз(t), являющуюся для компаратора 3 рабочим напряжением; 3 - компаратор, имеющий два входа Вх.1 и Вх.2 и выход Вых., на котором при коротком замыкании внутри контролируемой омметром защиты зоны ответственности появляется последовательность, например, прямоугольных импульсов, длительность Δt которых функционально связана с величиной модуля z_кз входного сопротивления короткого замыкания на защищаемом объекте электротехнического назначения согласно выражению (6); 4 - блок с постоянным коэффициентом передачи k₂, формирующий на своем выходе из переменного напряжения u_p.кз(t) на петле короткого замыкания абсолютное значение напряжения постоянного тока; 5 - блок возведения в степень n, формирующий согласно выражению (4) на своем выходе вторую электрическую величину U_т.кз постоянного тока, являющуюся для компаратора 3 тормозным напряжением; 6 и 7 - блоки, в конечном итоге, защищающие входы Вх.1 и Вх.2 компаратора 3 от возможных перенапряжений.

На фиг.5 приведена условно некоторая линия электропередачи W с установленными датчиками напряжения и тока для отбора информации о величинах, подводимых к времяимпульсному омметру защиты и автоматики аварийных значений напряжения u_р.кз(t) и тока i_кз(t).

Формирование электрических величин u_р.кз(t) и U_т.кз из комбинации токов и напряжений согласно известным методам формирования электрических величин при синтезе реле сопротивления [Полупроводниковые реле сопротивления. М.: «Энергия», 1975, с.13] позволяет получить времяимпульсный измерительный орган сопротивления с соответствующей характеристикой срабатывания на комплексной плоскости сопротивлений, у которого длительность Δt импульсов на выходе компаратора при коротком замыкании в зоне действия измерительного органа защиты будет сложным образом связана, например, с входным сопротивлением линии при коротком замыкании на ней. Возможна реализация измерительного органа, у которого длительность импульсов Δt на выходе компаратора будет функционально связана с реактивной составляющей x_кз комплексного сопротивления петли короткого замыкания.

Изобретение позволяет выполнить отдельно функционирующее устройство для определения расстояния до места короткого замыкания.

Предлагаемый способ формирования сравниваемых компаратором электрических величин во времяимпульсном омметре защиты и автоматики может быть реализован с использованием известных в технике синтеза измерительных органов защиты, автоматики и электроники схемотехнических решений, например возведение электрических величин в степени 2, 3 и 4 решают с помощью квадраторов, используемых в технике аналоговой обработки электрических сигналов; описанный в изобретении алгоритм формирования электрических величин может быть реализован программно с использованием цифровых методов и средств обработки электрических сигналов, что позволяет применить не целые значения показателей положительных степей m и n.

Способ формирования сравниваемых компаратором электрических величин во времяимпульсном омметре релейной защиты и автоматики, содержащем компаратор с рабочим и тормозным входами и одним выходом, на котором при коротком замыкании на контролируемом объекте электротехнического назначения формируются электрические импульсы длительностью Δt, при этом подаваемая на его тормозной вход вызывающая несрабатывание компаратора вторая электрическая величина является тормозным напряжением, которая получена в результате возведения в положительную степень n≥1 абсолютного значения модуля синусоидального электрического сигнала, пропорционального напряжению на петле короткого замыкания, при этом подаваемая на рабочий вход компаратора вызывающая его срабатывание первая электрическая величина, являющаяся для компаратора рабочим напряжением, причем ее получают путем возведения в положительную степень m≥1 некоторого электрического сигнала, при этом степени m и n одновременно не равны единице, и при равенстве степеней m=n получают времяимпульсный омметр релейной защиты и автоматики, у которого длительность электрических импульсов Δt на выходе компаратора однозначно связана с модулем входного сопротивления петли короткого замыкания, причем коэффициенты пропорциональности, используемые при формировании сравниваемых компаратором между собой первой и второй электрических величин, постоянны и определяют уставку срабатывания времяимпульсного омметра защиты, отличающийся тем, что в качестве возводимого в степень m электрического сигнала используют мгновенное значение синусоидального электрического сигнала, пропорционального синусоидальному току петли короткого замыкания.