АДАПТИВНОЕ РЕЛЕ ТОКА Российский патент 1994 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к технике релейной защиты электрических сетей, в том числе и контактных (троллейных) сетей электрифицированного транспорта.

Известно большое число реле тока с зависимой характеристикой срабатывания, содержащих датчик тока защищаемого объекта, пороговые органы, генератор частоты, интегрирующий счетчик, логические элементы и выходной орган [1] . Такие реле используются для защиты электрических сетей от перегрузки током, а их характеристика срабатывания описывается выражением τ = А/(1 - В), где τ - время срабатывания; А и В - постоянные величины. Их недостатком является независимость характеристики срабатывания от температуры окружающей среды, а также сохранение времятоковой характеристики неизменной при повторных перегрузках. Если повторная перегрузка возникает через малый промежуток времени (минуты) после предыдущей, когда защищаемый провод еще не остыл, то провод может быть пережжен, если выдержка времени при этом автоматически не сокращается.

Известно реле перегрузки, содержащее датчик тока, пусковой блок, преобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик импульсов, источник напряжения, сумматор, логические элементы И и выходной блок [2]. Это устройство принято в качестве прототипа. Оно имеет характеристику срабатывания, описываемую выражением τ= А/(1 - В), как и аналоги, а также характеристику возврата, описываемую выражением Δτ = n/f, где Δτ - время возврата реле; n - число импульсов, накопленных в реверсивном счетчике во время предыдущей перегрузки; f - постоянная частота преобразователя частоты. Благодаря такой характеристике возврата выдержка времени на срабатывание при повторной перегрузке сокращается тем больше, чем меньше интервал времени между повторными перегрузками.

Устройство имеет следующие недостатки.

Характеристика срабатывания не зависит от температуры окружающей среды; характеристика возврата не зависит от температуры окружающей среды; характеристика возврата не зависит от величины тока в защищаемом проводе; после срабатывания защиты от перегрузки возможно автоматическое повторение включения при еще не остывшем проводе; не имеет сигнализации о начале и конце перегрузки.

Целью изобретения является повышение точности работы устройства и надежности электроснабжения потребителей.

На фиг.1 приведена блок-схема устройства; на фиг.2 - схема функционального преобразователя; на фиг.3 - схема выходного блока.

Схема адаптивного реле тока содержит датчик 1 температуры окружающей среды, функциональный преобразователь 2, блок 3 регулируемого коэффициента, схему 4 сравнения, функциональный преобразователь 5, блок 6 регулируемого коэффициента, функциональный преобразователь 7, блок 8 регулируемого коэффициента, сумматор 9, перемножитель 10, блок 11 регулируемого коэффициента, преобразователь 12 напряжения в частоту, элемент И 13, датчик 14 тока, функциональный преобразователь 15, блок 16 регулируемого коэффициента, источник 17 эталонного напряжения, функциональный преобразователь 18, блок 19 регулируемого коэффициента, сумматор 20, перемножитель 21, блок 22 регулируемого коэффициента, преобразователь 23 напряжения в частоту, элемент И 24, реверсивный счетчик 25 импульсов, триггер 21, выходной блок 27, выходной блок 28.

Для электрических сетей переменного тока датчик 14 тока выполняется в виде трансформатора тока, выпрямителя и сглаживающего фильтра. Для электрических сетей постоянного тока датчиком тока является шунт. Датчик температуры выполняется известным образом в виде контактного или бесконтактного термометра, термодиода и т.п. Блоки регулируемого коэффициента выполняются в виде операционного усилителя с регулируемой обратной связью или потенциометра. Функциональные преобразователи могут быть выполнены на основе пусколинейных преобразователей с применением интегральных микросхем. Выходные блоки 27 и 28 выполняются в виде усилителей и коммутационных устройств.

Времятоковая характеристика срабатывания адаптивного реле тока имеет вид:
τ = , [I≥ I_пуск (t_окр)], (1) где τ - время срабатывания реле;
I - ток защищаемой линии;
I_пуск(t_окр) - ток, при котором реле тока включается в работу (пусковой ток), зависящий от температуры окружающей среды;
А'(t_окр); В'(t_окр) - коэффициенты, определяемые свойствами проводов (материал, сечение, конструкция, их сочетания) и зависящие от температуры окружающей среды.

Характер температурной зависимости I_пуск формируется в функциональном преобразователе 2, а согласование масштаба этой зависимости с уровнем выходного сигнала датчика 14 тока осуществляется блоком 3 регулируемого коэффициента. Характер температурной зависимости коэффициента В' формируется в функциональном преобразователе 7, а согласование масштаба этой зависимости с уровнем выходного сигнала датчика 14 тока осуществляется блоком 8 регулируемого коэффициента. На выходе сумматора 9 получаем сигнал, равный I - В'(t_окр). Характер температурной зависимости коэффициента А' формируется в функциональном преобразователе 5, а согласование масштаба этой зависимости с уровнем выходного сигнала сумматора 9 осуществляется блоком 6 регулируемого коэффициента. На выходе блока 6 сигнал равен а'(t_окр). Сигнал на выходе умножителя 10 равен а'(t_окр)[I - B'(t_окр)], а на выходе блока 11 регулируемого коэффициента сигнал равен
а'(t_окр)K₁₁[I - B'(t_окр)], где К₁₁ - регулируемый коэффициент передачи блока 11. Частота импульсов на выходе преобразователя 12 равна f₁₂ = = K₁₁K₁₂а'(t_окр)[I - B'(t_окр)], где К₁₂ - постоянный коэффициент преобразования преобразователя напряжения в частоту, Гц/В.

Времятоковая характеристика возврата адаптивного реле имеет вид:
Δτ = , [I < I_пуск (t_окр)], (2) где Δτ - время возврата реле;
I - ток защищаемой линии;
I_пуск(t_окр) - пусковой ток (тот же, что и выше);
A"(t_окр); В"(t_окр) - коэффициенты, определяемые свойствами проводов и зависящие от температуры окружающей среды;
m - коэффициент, зависящий от величины тока предшествующей перегрузки и ее длительности.

Характер температурной зависимости коэффициента В'' формируется в функциональном преобразователе 18, и согласование масштаба этой зависимости с уровнем выходного сигнала датчика 14 тока осуществляется блоком 19 регулируемого коэффициента. На выходе сумматора 20 сигнал равен B''(t_окр). Характер температурной зависимости В'' формируется в функциональном преобразователе 15, а согласование масштаба этой зависимости с уровнем выходного сигнала сумматора 20 осуществляется блоком 16 регулируемого коэффициента. На выходе блока 16 сигнал равен а''(t_окр). На выходе умножителя 21 сигнал равен а''(t_окр)[B''(t_окр) - I], а на выходе блока регулируемого коэффициента К₂₂ сигнал равен a''(t_окр)^.К₂₂[B''(t_окр) - I], где К₂₂ - регулируемый коэффициент передачи блока 22. Частота импульсов на выходе преобразователя 23 напряжения в частоту равна f₂₃ = K₂₂^.K₂₃a''(t_окр)[B''(t_окр) - I], где К₂₃ - постоянный коэффициент преобразования блока 23, Гц/В.

Устройство работает следующим образом.

Когда ток защищаемой линии превысит значение I_пуск(t_окр) переключается схема 4 сравнения, которая подает сигнал включения на выходной блок 28. Срабатывание блока 28 соответствует условию сигнализации и передачи энергодиспетчеру информации о начале перегрузки линии. Одновременно выходной сигнал схемы 4 сравнения поступает на верхние входы элементов И 13 и 24. Элементы И 24 запирается, а элемент И 13 отпирается, и импульсы выходного сигнала преобразователя 12 напряжения в нагрузку проходят через элемент И 13 на вход прямого счета реверсивного счетчика 25 импульсов. Когда накопленное число импульсов в счетчике достигнет предельного значения, на его выходе переноса CR появляется сигнал, который переключает триггер 26. Выходной сигнал этого триггера включает выходной блок 27, который производит отключение защищаемой сети.

Время полного значения счетчика 25 импульсов равно τ - N/f₁₂, где N - емкость счетчика; f₁₂ - частота импульсов преобразователя 12.

Подставляя в это выражение указанное выше значение f₁₂, получаем
τ = = = ,
где A′(t_окр) = , что совпадает с выражением(1). Настройка требуемого значения А при данной емкости N счетчика 25 осуществляется блоком 11 регулируемого коэффициента путем изменения величины К₁₁.

После срабатывания выходного блока 27 и отключения линии ток в ней исчезнет и схема 4 сравнения возвращается в исходное состояние. Сигнал на ее выходе исчезает, поэтому элемент И 13 запирается, а элемент И 24 открывается. При этом импульсы выходного сигнала преобразователя 23 напряжения в частоту проходят через элемент И 24 на вход обратного счета реверсивного счетчика 25 импульсов. Счетчик начинает опорожняться. Когда он опорожняется полностью, появится сигнал на его выходе - 0. Этот сигнал перебрасывает триггер в первоначальное состояние. При этом выходной блок 7 отключается, а элемент И 24 запирается.

Таким образом, после срабатывания выходного блока 27 в результате перегрузки до тех пор, пока счетчик 25 полностью не опорожнится, блок 27 в исходное состояние не возвратится. Это исключает возможность ошибочного включения линий с помощью АПВ при еще не остывших ее проводах.

Если перегрузка длилась недолго и ток линии снизился ниже I_пуск(t_окр) до того, как число импульсов в счетчике 25 достигло значения n, переключения триггера 26 не происходит, выходной блок 27 не срабатывает и линия не отключается. При этом схема 4 сравнения возвращается в исходное положение, запирая элемент И 13 и отпирая элемент И 24. Опорожнение счетчика 25 импульсами преобразователя 23 напряжения в частоту, поступающими на вход обратного счета, начинается при этом от числа импульсов n, накопленного за время предшествующей перегрузки. Поскольку число n определялось частотой преобразователя 12, то оно учитывает как ток предшествующей перегрузки, так и его длительность.

Время опорожнения счетчика 25 в этом случае равно
Δτ = n/f₂₃ = nN/Nf₂₃ = mN/f₂₃, где m = n/N, N - полная емкость счетчика 25. Подставляя сюда значение f₂₃, получаем
Δτ = = ,
[I < I_пуск(t_окр)] , где А''(t_окр) = N/[K₂₂^.K₂₃^.a''(t_окр)], что совпадает с выражением (2). Настройка требуемого значения а'' для счетчиков разной емкости N осуществляется блоком 22 регулируемого коэффициента путем изменения величины К₂₂.

После полного опорожнения счетчика 25 переключается триггер 26, возвращается в исходное положение выходной блок 27 и реле возвращается в исходное положение. Если же перегрузка возникает повторно, до того как опорожнится счетчик 25, то снова срабатывает схема 4 сравнения, отпирается элемент И 13 и запирается И 24. Снова преобразователь 12 напряжения в частоту начнет заполнять импульсами счетчик 25. Поскольку в предшествующем режиме счетчик опорожнится не полностью, лишь до некоторого значения n_o, то время заполнения емкости до N импульсов сокращается до значения τ = (N - n_o)/f₁₂. Таким образом учитывается то условие, что допустимое время перегрузки для неостывшего провода должно быть меньше, чем для остывшего.

Расчетным путем установлено, что в диапазоне нормативных значений температур окружающей среды до 40^оС с достаточно высокой для практики точностью зависимость I_пуск(t_окр) можно представить в виде
I_пуск(t_окр) = с - bt_окр, (3) где с, b - постоянные коэффициенты. Например, для контактной сети из проводов ПБСМ951МФ100 имеем с = 1530 А, b = 9,4 А/^oC. Выражение (3) реализуется сумматором 3 с блоками 1 и 2 регулируемых коэффициентов. При этом величина коэффициента с устанавливается блоком 2, а коэффициент b - блоком 1.

В том же диапазоне температур окружающей среды коэффициент B'(t_окр), входящий в выражение (1), можно представить в виде
B'(t_окр) = c' - b't_окр, (4) где с', b' - постоянные коэффициенты. Так, например, для указанных проводов с' = 1460 А, b' = 9,4 А/^оС. Выражение (4) реализуется устройством, приведенным на фиг.2. Величина коэффициента с устанавливается блоком 2 регулируемого коэффициента, а величина коэффициента b - блоком 1 регулируемого коэффициента.

Аналогичным образом установлено, что можно использовать следующие зависимости:
B''(t_окр) = с'' - b''t_окр (5)
а'(t_окр) = d' - g't_окр (6)
а''(t_окр) = d'' - g''t_окр, (7) где с'', b'', d'', g'', d', g' - постоянные коэффициенты. Так, например, для тех же проводов с'' = 1800 А; b'' = 10 А/^оС; d' = 10,16^.10^-4 1/А; g' = 0,0317^.10^-4 1/А^оС и т.д. Следовательно, функциональные преобразователи 5, 15, 18 могут быть выполнены в виде сумматора 3 и блоков 1 и 2 регулируемых коэффициентов.

В техническом решении гальваническая развязка предусмотрена в блоках 27 и 28, которые выполняются в виде приведенного на фиг.3. В этом варианте модулятор 1 соединен последовательно с передающим устройством 2. Приемное устройство 3 последовательно соединено с полосовым фильтром (демодулятором) 4 и коммутационным блоком 5. В простейшем случае модулятор 1 представляет собой генератор прямоугольных или синусоидальных импульсов. Передающий блок может быть выполнен в виде лампочки, светодиода, инфразвукового датчика, радиопередатчика, трансформатора. В зависимости от вида передающего блока приемный блок может быть выполнен в виде фоторезистора, фотодиода, инфразвукового или радиоприемника, трансформатора. Полосовой фильтр (демодулятор) защищает от помех и пропускает к коммутационному устройству сигнал только в случае, если приемник 3 воспринимает сигналы той частоты, которая соответствует частоте генератора 1. Гальваническая развязка высоковольтной части схемы, включая блоки 1 и 2 от той части, которая находится под низким потенциалом (блоки 3-5), осуществляется воздушным промежутком или изоляцией между передающим 2 и приемным 3 устройствами.

Технико-экономическая эффективность определяется тем, что реле тока автоматически адаптируется к температуре окружающей среды и величине тока в линии как при перегрузке, так и при токах меньше длительно допустимых. Это позволяет при низких температурах окружающей среды более полно использовать нагрузочную способность линии. За счет указанной адаптации более надежно устанавливается время срабатывания и возврата реле при повторных перегрузках. В то же время при высоких температурах окружающей среды более надежно предотвращается возможный при перегрузках пережог проводов линии. Таким образом повышается надежность защиты проводов линии от ненормальных режимов и устойчивость электроснабжения потребителей.

Сущность изобретения: устройство имеет адаптации характеристики срабатывания τ = A₁/(I-B₁) , где τ - время срабатывания; I - ток защищаемой линии; A₁ и B₁ - коэффициенты, и характеристики возврата, учитывающей процесс остывания проводов Δτ = A₂/(B₂-1) , где Δτ - время возврата реле; A₂ и B₂ - коэффициенты, к температуре окружающей среды. Такая адаптация обеспечивается температурной зависимостью коэффициентов A₁, A₂, B₁, B₂ . 2 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. АДАПТИВНОЕ РЕЛЕ ТОКА, содержащее датчик тока, схему сравнения, первый вход которой соединен с выходом датчика тока, первый преобразователь напряжения в частоту, реверсивный счетчик импульсов, источник эталонного напряжения, первый сумматор, первый вход которого присоединен к выходу датчика тока, первый и второй элементы И, выход первого из которых соединен с входом прямого счета, а выход второго - с входом обратного счета реверсивного счетчика импульсов, выход первого преобразователя напряжения в частоту соединен с первым прямым входом первого элемента И, второй вход которого объединен с первым инверсным входом второго элемента И, и первый выходной блок, отличающееся тем, что дополнительно введены датчик температуры окружающей среды, пять блоков функциональных преобразователей, второй сумматор, второй преобразователь напряжения в частоту, два перемножителя, семь блоков регулируемых коэффициентов, триггер и второй выходной блок, причем первые входы всех функциональных преобразователей подключены к выходу датчика температуры, вторые входы - к выходу источника эталонного напряжения, выход первого функционального преобразователя через первый блок регулируемого коэффициента подключен к второму входу схемы сравнения, к выходу которой подключены вход второго выходного блока, второй прямой вход первого элемента И, выход второго функционального преобразователя через второй блок регулируемого коэффициента соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого умножителя, выход третьего функционального преобразователя через третий блок регулируемого коэффициента присоединен к первому входу второго сумматора, второй вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход подключен к первому входу второго умножителя, выход четвертого функционального преобразователя через четвертый блок регулируемого коэффициента присоединен ко второму входу первого умножителя, выход которого через шестой блок регулируемого коэффициента подключен к первому преобразователю напряжения в частоту, выход пятого функционального преобразователя через пятый блок регулируемого коэффициента присоединен ко второму входу второго перемножителя, выход которого через седьмой блок регулируемого коэффициента подключен к входу второго преобразователя напряжения в частоту, выход которого подключен к второму прямому входу второго элемента И, первый выход переноса реверсивного счетчика импульсов присоединен к первому входу триггера, второй выход обнуления реверсивного счетчика импульсов присоединен к второму входу триггера, выход которого присоединен к третьему прямому входу второго элемента И и к входу первого выходного блока. 2. Реле по п.1, отличающееся тем, что функциональные преобразователи выполнены в виде сумматора, к каждому входу которого подключен блок регулируемого коэффициента. 3. Реле по п.1, отличающееся тем, что выходные блоки выполнены в виде последовательно соединенных модулятора и передающего устройства, электрически не связанных с ними приемного устройства, полосового фильтра и коммутационного блока.