Устройство для определения поврежденной фазы в трехфазной сети с изолированной нейтралью

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Colo Советских

Социалистических

Республик

1i u99 1 544 (61) Дополнительное к авт. саид-ву(22)Заявлено 04.01.81 (21) 3229779/24-07 (51)М. Кд. с присоединением заявки М

Н 02 Н 3/16

Гесударатвеккмх кемктет (23) Приоритет

СССР (53) УД1(621..316.925 (088.8) Опубликовано 23.01.83. Бюллетень № 3

Дата опубликования описания 25.01.83 вв делам лэабре1енкк и открытий (72) Авторы изобретения

l0.Д. Альгин, И.М. Осипова и Л.B. Ребро (71) Заявитель

{54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОЙ

ФАЗЫ В ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ

НЕЙТРАЛЬЮ

1О

15 го

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано как для защиты сетей от однофазных замыканий на землю, так и для защиты человека от поражения электрическим током путем шунтирования его бесконечно малым сопротивлением.

Известны устройства для определения поврежденной фазы, в которых используются реле минимального напряжения, включенные на фазные напряжения питающего трансформатора, а также устройства, у которых в качестве элемента, чувствительного к однофазным замыканиям на землю, используется фильтр нулевой последовательности, управляющий работой пороговых элементов, реагирующих на повышение напряжения $1 ) и (2 1.

Недостатком указанных устройств является низкая чувствительность, возможность ложного срабатывания на отстающей фазе при определенных значениях емкостного и активного сопро2 тивления фаз по отношению к земле.

К их недостаткам следует также отнести инерционность пороговых элементов, определяющих быстродействие устройства.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения поврежденной фазы в трехфазной сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, в котором используются формирователи полупериодов фазных напряжений фазаземля и фаза-нейтраль, элементы И и ИЛИ, инвертор, элемент памяти положительного знака угла и формирователь запрещающего сигнала, соединенные таким образом, что логическая обработка входных сигналов происходит с учетом естественного чередования фаз путем Фиксации во времени знаков первых после момента повреждения двух углов, начиная с последнего (3 j.

3 9915 .Недостатком известного устройства является то, что вследствие случайного характера появления момента повреждения фазы относительно периода синусоиды напряжения, возможны случаи увеличения промежутка времени для определения поврежденной фазы на одну треть периода (на случай, когда последовательно выделяются зна ки углов минус-плюс-плюс). Это ограничивает возможность использования указанного устройства, например для защиты человека от поражения электрическим током, и сужает диапазон электрических сетей по величине напряжения, в которых оно может быть применено.

Целью изобретения является увеличение быстродействия устройства для определения поврежденной фазы.

Цель достигается тем, что устройство для определейия поврежденной фазы в трехфазной сети с изолированной нейтралью, содержащее по числу фаз три канала, каждый из которых включает в себя формирователи полупериодов напряжений фаза-земля и фаза-нейтраль, элемент памяти положительного знака угла, инвертор, элемент ИЛИ, первый и второй элементы И и формирозо ватель запрещающего сигнала, дополнительно снабжено элементом И-ИЛИ-НЕ, дифференцирующей цепочкой, расширителем входного сигнала, элементом памяти отрицательного знака угла, дешифратором на трех элементах И и одном элементе ИЛИ, тиристорным ключом и третьим и четвертым элементами И, причем выходы формирователей полупериодов одной полярности напряжений фаза-нейтраль и фаза-земля соединены с соответствующими входами элемента

И-ИЛИ-НЕ, подключенного своим выходом к входам формирователя запрещающего сигнала, и двух элементов И, причем второй вход элемента И в цепи 4 напряжения фаза-земля соединен с выходом расширителя входного сигнала, вход которого соединен с выходом. элемента-ИЛИ, а входы последнего через дифференцирующую цепочку соединены с выходами формирователей полупериодов напряжения фаза-нейтраль, а второй вход элемента И в цепи напряжения фаза-нейтраль соединен с выходом инвертора вход которого соединен с выходом расширителя входного сигнала, выходы формирователя запрещающего сигнала и обоих элементов И соедине44 4 ны с соответствующими входами MeMekтов памяти, причем выход элемента памяти положительного знака угла соединен с первыми входами первого и второго элементов И дешифратора своей фазы и вторым элементом И дешифратора отстающей фазы, вторые входы которых соединены с выходами элемента памяти отрицательного знака угла отстающей фазы и элементов памяти положительных знаков углов опережающей и отстающей фаз соответственно, выход элемента памяти отрицательного знака угла соединен с первыми входами третьего элемента И дешифратора опережающей фазы, вторые входы которых соединены с выходами формирователей отрицательного и положительного сигналов опережающей фазы и отрицательного сигнала отстающей фазы соответственно, входы третьего элемента И дешифратора соединены с выходами элементов памяти отрицательных знаков углов отстающей и опережающей фаз, выходы всех элементов

И дешифратора соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с входами третьего и четвертого .элементов И, вторые входы которых соединены с выходами соответствующих формирователей полупериодов напряжения фаза-нейтраль, а выходы — с управляющими электродами тиристорного ключа.

Для достоверного суждения о поврежденной фазе достаточно измерения знаков двух первых по времени после момента повреждения углов независимо от фаз, в которых они зафиксированы, причем поврежденной фазе соответствует три сочетания знаков углов, фаз в порядке их чередования, а именно:

- плюс в поврежденной, минус в отстающей; плюс в поврежденной, плюс в опережающей;

- минус в отстающей, минус в опережающей, независимо от чередования их во времени.

Йа фиг. 1 приведена принципиальная схема устройства; на фиг. 2 - диаграммы напряжений, характеризующие работу элементов схемы.

Схема устройства содержит три канала, в каждом из которых формирователи 1 напряжения прямоугольной формы из синусоидальной на каждый полупериод, два - на фазное напряжение относительно нейтрали и два - на фаз5 9915 ное напряжение относительно земли попарно соединены с соответствующими входами логической схемы И"ИЛИ-НЕ 2 для получения перепадов напряжения требуемой полярности, равных углам сдвига фаз указанных напряжений, ко" торые будут иметь место в случае повреждения (замыкания) любой из фаз на землю, либо в случае прикосновения человека к одной из фаз.

16

Выходы формирователей напряжения фаза-нейтраль подключены также на входы. двух дифференцирующих цепей 3, выходы которых через разделительную схему ИЛИ 4 подключены к входу расширителя - ждущего мультивибратора .5 с временем расширения входного сигнала до 0,25 длительности периода напряжения сети (90 эл.градусов). Выходы расширителя 5 и инвертора 6 соединены с.одними из входов логических элементов И 7 и 8, на вторые входы которых подключен выход элемента 2 для установления знака угла.

Совпадение сигналов в схеме 7 сви- 5 детельствует о положительном, а совпадение сигналов в схеме 8 - об от.рицательном значении угла. Выходы элементов 7 и 8 соединены каждый с одним из входов элементов 9 и 10 памяти, в качестве которых используются статические триггеры, включенные по схеме с разделенными входами. Вторые входы триггеров используются для обратного переключения триггеров по

35 запрещающему сигналу с выхода формирователя ll при исчезновении сигналов на выходах элементов 7 и 8 с выдержкой времени более 0,5 периода основной частоты. Триггер 9 фиксирует по40 ложительный знак угла между напряжениями фаза-нейтраль и фаза-запрет, а триггер 10 — отрицательный. формирователи запрещающего сигнала в каждом канале состоят из после"

45 довательно соединенных генератора 12 пилообразного напряжения и элемента l3 сравнения - балансного диодно-регенеративного компаратора. Генератор

12 переключается сигналами с выхода элемента 2. На второй вход схемы 13 сравнения подается напряжение уставки, величина которого выбарается исходя из требуемой выдержки более

0,5 периода. .Выходы элементов 9 и 10 памяти знаков соединены с входами логических элементов И 14 дешифратора 15 таким образом, что в канале каждой фа44 4 зы включено по три элемента И, причем выходы одного из них соединены с выходом элемента памяти положительного угла своей фазы и с выходом эле" мента памяти отрицательного знака угла отстающей фазы, входы другогос выходами элементов памяти положительного знака угла своей и опережающей фаз, а входы третьего элемента И - с выходами элементов памяти отрицательного знака угла опережаю" щей и отстающей фаз. Выходы элементов 14 в канале каждой фазы соединены с входами логического элемента ИЛИ

16, появление сигнала на выходе которого свидетельствует о наличии повреждения в соответствующей фазе. .Выходы элементов 16 в канале каждой фазы соединены с входами двух схем И 17, на вторые входы которых подается опорное напряжение фаза-нейтраль с выходов формирователя 1. В ка" честве схем И в данном случае используются потенциально-импульсные схемы, причем на импульсные входы подается напряжение формирователей 1, а на потенциальные входы - сигналы с выхода элементов 16. Выходы элементов 17 подключены к входам усилителей 18 мощности сигнала управления тиристорами 19 трехфазного коммутатора, обеспечивающего замыкание поврежденной фазы на землю. Наличие в схеме усилителей мощности зависит от типа задействованных в ней тиристоров.

В формирователе запрещающего сиг-. нала ганератор пилообразного напряжения не переключается, напряжение на его выходе имеет установившееся значение, превышающее по абсолютному значению величину напряжения уставки (фиг. 2 х), что обеспечивает непрерывную подачу импульсов (фиг. 2 ц) на входы элементов 9 и 10 памяти для поддержания их в исходном состоянии.

Из-за отсутствия сигнала на одном из входов элементов 17, подача синхронизирующих сигналов от формирователей 1 на усилители 18 мощности не происходит и тиристоры 19 не коммутируются. ж"

Допустим, что в момент времени прикосновения t<, например к фазе В, соотношение активных и емкостных проводимостей таково, что фазовое смещение напряжения фаза-земля относительно напряжения фаза-нейтраль будет в опережающей фазе положительным, в фазе прикосновения смещение периода его амплитуда не превышает напряжения уставки на соответствующем входе элемента 13 сравнения (фиг. 2 x). Условия возбуждения в элементе 13 не выполняются и он не генерирует сигналы, используемые для возврата элементов 9 и 10 памяти в исходное положение (фиг. 2 ц).На фиг. 2 х приведена диаграмма напряжений, иллюстрирующая работу цепи отбоя в канале фазы В. В каналах двух других фаз работа схемы формирователя запрещающего сигнала и:диаграмма напряжения аналогичны.

При исключении причин, вызвавших срабатывание устройства, подается сигнал сброса на элементы 18, запрещающий генерирование импульсов управления тиристорами 19. При этом, в случае восстановления совпадения фаз напряжений фаза-нейтраль и фаза-земля, начиная с момента времени t, прекращается образование сигналов на выходах элементов 2 в начале каждой фазы (фиг. 2 к,п,м). Пилообразное напряжение на выходе элемента 12 достигает уровня насыщения, превышающего напряжение уставки, что, в свою очередь, вызывает генерирование непрерывной последовательности импульсов (фиг. 2 ц) на выходе элемента 13, что, в конченом итоге, вызывает переключение элементов 9 и 10 памяти в исходное состояние..

Предлагаемое устройство повысит эффективность защиты человека от поражения электрическим током в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 10 кВт при сохранении требуемой бесперебойности снабжения потребителей.

Формула изобретения

Устройство для определения поврежденной фазы. в трехфазной сети с изолированной нейтралью, содержащее по числу фаз три канала, каждый из которых включает в себя формирователи полупериодов напряжений фаза-нейтраль и фаза-земля, элемент памяти положительного знака угла, инвертор, элемент ИЛИ, первый и второй элементы И и формирователь запрещающего сигнала, о т л и ч а ю .щ е е с я тем, что, с целью увеличения быстродействия, оно дополнительно снабжено элементом И-ИЛИ-НЕ, дифференци7 991544 . 8 всегда положительно, à s отстающейвсегда отрицательно.

На фиг. 2 а,б,в новое положение кривых напряжений фаза-земля показан пунктиром. Напряжения на выходе соответствующих формирователей также получат смещения (фиг. 2 г,д,e,æ,ý,è).

На фиг. 2 для упрощения напряжения формирователей отрицательных полупериодов опущены. На выходе элемен- щ тов 2, начиная с первого после момента t прохода синусоид фазных напряжений через нуль, появятся сигналы, соответствующие по фазовому положению и равные по ширине углам сдвига фаз напряжений (фиг. 2 к,л,м), которые непосредственно подаются на входы элементов 7 и 8. С другой стороны напряжения фаза-нейтраль после соответствующих преобразований в элементах 3-6 (фиг. 2 и,о) также подаются в элементы 7 и 8.

Совпадение сигналов в элементах 7 или 8 приводит к переключению тригге ра 9, фиксирующего положительный знак угла, или триггера 10, фиксирующего отрицательный знак угла. В указанном случае (прикосновение к фазе В) произойдет переключение триггера 9 (фаза А) и (фаза В) и триггера 10 (фаза С) соответственно (фиг. 2 и,р,с) . Как следует из сопостайления передних фронтов сигналов (фиг. 2 и.р.с) в организации сигнала, указывающего фазу прикоснове35 ния, участвуют элементы памяти 9, 10, 14 и 16 (на фиг. 1 заштрихованы).

Появление разрешающего сигнала на выходе элемента ИЛИ 16 в канале фазы В (фиг. 2т) обеспечивает генерирование импульсов управления тиристорами 19 (фиг. 2 у,ф) в соответствии с синхронизирующим напряжением, подаваемым на элементы 17 с выхода формирователя 1 напряжения фаза-нейт45 раль фазы В. Тиристоры 19, переклю.— чаясь каждый полупериод, обеспечивают замыкание фазы В на землю, шунтируя человека, прикоснувшегося к фазе.

B схеме формирования запрещающего сигнала, начиная с появления первого

50 сигнала на выходе элемента 2, происходит сброс уровня установившегося напряжения на выходе генератора 12 и в последующем генерирование пилообразного напряжения с частотой следования управляющих сигналов, причем крутизна пилообразного напряжения подобрана такой, что s течение полу99154 рующей цепочкой, расширителем входного сигнала, элементом памяти 0Т» рицательного знака угла, дешифратором на трех элементах И и одном элементе

ИЛИ, тиристорным ключом и третьим и четвертым элементами И, причем выходы формирователей полупериодов одной полярности напряжений фаза-нейтраль и фаза-земля соединены с cîoòâåòñT" вующими входами элемента И-ИЛИ-HE 10 подключенного своим входом к входам формирователя запрещающего сигнала, и двух элементов И, причем второй вход элемента И в цепи напряжения фаза-земля соединен с выходом расши- 1S рителя входного сигнала, вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ, а входы последнего через дифференцирующую цепочку соединены с выходами формирователей полупериодов на- щ пряжения фаза-нейтраль, а второй вход элемента И в цепи напряжения фазанейтраль соединен с выходом инвертора, вход которого соединен с выходом расширителя входного сигнала,- вы-д ходы формирователя запрещающего сигнала и обоих элементов И соединены с соответствующими входами элементов памяти, причем выход элемента памяти положительного знака угла соединен Зв с первыми входами первого и второго элементов И дешифратора своей фазы и вторым элементов И дешифратора отстающей фазы, вторые входы которых

4 10 соединены с выходами элемента памяти отрицательного знака угла отстающей фазы и элементов памяти положительных знаков углов опережающей и отстающей фаз соответственно, выход элемента памяти отрицательного знака угла соединен с первыми входами третьего элемента И дешифратора опережаю цей фазы, вторые входы которых соединены с выходами формирователей отрицательного и положительного сигналов опережающей фазы и отрицательного сигнала отстающей фазы соответственно, входы третьего элемента И дешифратора соединены с выходами элементов памяти отрицательных знаков углов отстающей и опережающей фаз, выходы всех элементов И дешифратора соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого соединен с входами третьего и четвертого элементов И, вторые входы которых соединены с выходами соответствующих формирователей полупериодов напряжения фаза-нейтраль, а выходы - с управляющими электродами тиристорного ключа, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1., Патент Японии N 48-44300, кл. 4(2)-53(93), 1973.

2. Авторское свидетельство СССР и 600647, кл. Н 02 Н 3/16, 1976.

3. Авторское свидетельство СССР

М 881928, кл. Н 02 Н 3/ l6, 1980.