УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ АСИНХРОННОГО РЕЖИМА ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ Российский патент 1995 года по МПК H02J3/24 

Изобретение относится к противоаварийной автоматике энергосистем и может быть использовано, например, в автоматике ликвидации асинхронного режима.

Известно устройство, основанное на фиксации превышения определенного количества колебаний тока по величине с периодом не более расчетного (1, с. 390, рис. 7-362а).

Основным недостатком этого устройства является недостаточная селективность в режиме синхронных качаний при требуемой быстроте срабатывания, которая определяется количеством отсчитываемых циклов колебаний тока. Устройство срабатывает после четырех циклов (1, с. 389), а для надежной отстройки от качаний требуется как минимум десять циклов (2, с. 51). Попытка учесть их отстройкой по времени не эффективна из-за существенного замедления срабатывания (до 15-20 с) [2]
Известны также микроэлектронные устройства, свободные от указанного недостатка за счет дополнительного контроля отношений минимального и максимального значений амплитуды тока в каждом цикле к ее максимальному значению в начальном цикле с помощью введенного блока контроля отражения амплитуд [3, 4]
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому устройству является устройство для выявления асинхронного режима электропередачи [4]
Недостатком этого устройства является низкая селективность при колебаниях тока в режимах коротких замыканий (КЗ) с последующим отключением и автоматическим повторным включением (АПВ), а также в режиме многократных КЗ через перемежающуюся дугу. Эти колебания воспринимаются устройством во всех случаях, когда отношение их минимальной амплитуды I_min в цикле к максимальной I_max меньше В_ср (4, формула (6)), что происходит при КЗ в непосредственной близости от места подключения устройства. Другим недостатком устройства является нарушение устойчивости срабатывания после выявления асинхронного режима (АР), когда напряжение U_1.1 на дополнительном выходе счетчика циклов становится положительным (логический сигнал Х₇ равен единице) (4, фиг. 1). Теперь при первом же срабатывании пускового органа, приводящем к формированию положительного импульса U₃ на прямом выходе формирователя (Х₆= 1), происходит сброс амплитудного детектора блока и возврат этого блока, так как установочный сигнал U_8.2 на втором выходе блока становится положительным (У₂= 1) согласно функции (3). Поскольку при этом импульсы и U₃ на инверсном и прямом выходах формирователя возникают одновременно (Х₂=0 и Х₆=1) и напряжение U₅ на прямом выходе блока равно нулю (Х₃=0), блок срабатывает по первому выходу, напряжение U_8.1 на котором становится положительным (У₁= 1) согласно функции (2). Это приводит к сбросу счетчика циклов и возврату устройства в целом, что свидетельствует о его неустойчивом срабатывании.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение селективности и устойчивости срабатывания устройства. Получаемый при этом технический результат проявляется в уменьшении вероятности отказов и излишних срабатываний устройства в процессе эксплуатации.

Поставленная задача решается тем, что в устройство, содержащее пусковой орган, подключенный входом к выходу датчика тока и включающий в себя формирователь амплитудного значения напряжения, пропорционального входному току, орган контроля отношения амплитуд из амплитудного детектора с установочным и информационнным выходами, являющимися аналогичными входами органа, и компаратора с регулируемым коэффициентом возврата, входы которого попарно соединены с информационным входом и выходом амплитудного детектора, а прямой и инверсный выходы являются аналогичными выходами органа, формирователь импульсов по фронту с прямым и инверсным выходами, формирователь импульсов по срезу с инверсным выходом, орган контроля периода времени колебаний тока, логический элемент 3 ИЛИ-НЕ, орган выдержки времени, выход которого является основным выходом устройства, счетчик циклов, состоящий из счетчика-дешифратора, счетный и установочный входы которого являются аналогичными входами счетчика циклов, n-входового элемента ИЛИ-НЕ и m-входового переключателя, входы которых попарно соединены с выходами счетчика-дешифратора, а выходы служат соответственно дополнительным и основным выходами счетчика циклов, блок установочных сигналов, реализующий функции
Y₁= + X₁+ Y;
У₂=У₁+Х₆ Х₇, где Х₁, Х₂, Х₃, Х₄, Х₅, Х₆, Х₇ логические сигналы на одноименных входах блока; У₁ и У₂ логические сигналы на одноименных выходах блока; У вспомогательный логический сигнал, причем информационный вход органа контроля отношения амплитуд подключен к выходу формирователя абсолютного значения пускового органа, а установочный вход подключен к выходу У₂блока установочных сигналов, выход У₁ которого связан с установочным входом счетчика циклов, формирователи импульсов по фронту и по срезу подключены входами к выходу пускового органа, а инверсными выходами попарно соединены с входами Х₂ и Х₅ блока установочных сигналов, входы Х₃ и Х₄ которого также попарно подключены к прямому и инверсному выходам органа контроля отношения амплитуд, вход Х₆ подключен к прямому выходу формирователя импульсов по фронту, вход Х₇ подключен к дополнительному выходу счетчика циклов, вход Х₁ подключен к выходу органа контроля периода колебаний тока, связанного входом с инверсным выходом формирователя импульсов по фронту, логический элемент 3 ИЛИ-НЕ входами попарно соединен с инверсными выходами формирователя импульсов по фронту и органа контроля отношения амплитуд и основным выходом счетчика циклов, а выходом подключен к счетному входу последнего, орган выдержки времени подключен входом к основному выходу счетчика циклов, который служит также дополнительным выходом устройства, формирователь импульсов по фронту выполнен с последовательным формированием импульсов на инверсном и прямом выходах, а формирователь амплитудного значения токового пускового органа выполнен со ступенчатым переходом с одного значения амплитуды на другое через каждый полупериод входного тока, введен блок отстройки от КЗ из дифференцирующего звена, компаратора и делителя напряжения, причем вход дифференцирующего звена подключен по первому входу введенного блока к выходу формирователя амплитудного значения пускового органа, вход делителя напряжения подключен по второму входу введенного блока к выходу амплитудного детектора органа контроля отношения амплитуд, выходы дифференцирующего звена и делителя напряжения попарно соединены с первым и вторым входами компаратора, выход которого, являющийся выходом блока отстройки от КЗ, подключен к дополнительному входу Х₈ блока установочных сигналов, другой дополнительный вход Х₉которого подключен к первому выходу счетчика-дешифратора счетчика циклов, а вспомогательный логический сигнал У формируется с использованием дополнительных сигналов Х₈ и Х₉ на одноименных входах следующим образом:
Y (X₈·X₉++y).

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы решают следующие функциональные задачи. Последовательное формирование импульсов на инверсном и прямом выходах формирователя импульсов по фронту предотвращает ложное срабатывание блока установочных сигналов по выходу У₁ и возврат устройства после выявления АР в момент очередного срабатывания пускового органа (Х₂=0), когда одновременно происходит возврат (Х₃=0) органа отношения амплитуд. Выполнение формирователя абсолютного значения со ступенчатым переходом выходного напряжения с верхнего значения на нижнее на каждом полупериоде выходного сигнала необходимо, чтобы обеспечить правильную работу введенного блока отстройки от КЗ, вычисляющего разность этих значений. Блок отстройки от КЗ сравнивает напряжение, пропорциональное разности амплитуд соседних полупериодов входного тока в фазе его снижения, с опорным напряжением для фиксации отключения КЗ и сброса устройства при многократных КЗ и в цикле КЗ неуспешное АПВ, повышая тем самым его селективность.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие его работу, где обозначены выходные напряжения блоков U_ij (i индекс блока; j номер выхода), опорные напряжения U_оп1 и U_оп2, определяющие уставки пускового органа и блока отстройки от КЗ, времена t₄ и t₁₀ срабатывания органа контроля периода колебаний тока и органа выдержки времени, период Т_к колебаний тока.

Устройство содержит пусковой орган 1, представляющий собой реле тока с формирователем 11 амплитудного значения напряжения, пропорционального входному току, который выполнен со ступенчатым переходом с одного значения амплитуды на другое через каждый полупериод входного тока, формирователь 2 импульсов по фронту с инверсным и прямым выходами, импульсы на которых появляются последовательно (друг за другом) в моменты каждого срабатывания пускового органа 1, формирователь 3 импульсов по срезу с инверсным входом, орган 4 контроля периода колебаний тока, представляющий собой элемент выдержки времени, который запускается при положительном входном сигнале и устанавливает в ноль при нулевом, блок 5 установочных сигналов, реализующий функции
Y (X₈·X₉++y) (1)
Y₁= + X₁+ Y; (2)
У₂=У₁+Х₆ Х₇, (3) где Х₁-Х₉ логические сигналы на одноименных входах блока; У₁ и У₂ логические сигналы на одноименных выходах; У вспомогательный логический сигнал, блок 6 отстройки от КЗ, состоящий из дифференцирующего звена 12, делителя 13 напряжения и компаратора 14, причем входы звена 12 и делителя 13 являются первым и вторым входами блока 6 соответственно, а их выходы попарно соединены с первым и вторым входами компаратора 14, выход которого является выходом блока 6, орган 7 контроля отношения амплитуд, состоящий из амплитудного детектора 15, информационный и установочный входы которого являются аналогичными входами органа, и компаратора 16 с регулируемым коэффициентом возврата, прямой и инверсный выходы которого служат аналогичными выходами органа, а входы попарно соединены с информационным входом и выходом детектора 15, логический элемент 3 ИЛИ-НЕ 8, счетчик 9 циклов, состоящий из счетчика-дешифратора 17, счетный и установочный входы которого являются аналогичными входами счетчика циклов, n-входового элемента ИЛИ-НЕ 18 и m-входового переключателя 19, входы которых попарно соединены с выходами счетчика-дешифратора 17, а выходы служат соответственно дополнительным и основным выходами счетчика 9 циклов, орган 10 выдержки времени, задающий время t₁₀, необходимое для осуществления мероприятий по ресинхронизации после срабатывания устройства по дополнительному выходу устройства (основному выходу счетчика 9).

Формирователи 2 и 3 подключены входами к выходу пускового органа 1, а инверсными выходами попарно соединены с входами Х₂ и Х₅ блока 5 установочных сигналов, входы Х₃ и Х₄ которого также попарно подключены к прямому и инверсному выходам органа 7 контроля отношения амплитуд, вход Х₁ подключен к выходу органа 4, вход Х₆ подключен к прямому выходу формирователя 2, входы Х₇ и Х₉ подключены соответственно к дополнительному выходу счетчика 9 циклов и первому выходу его счетчика-дешифратора 17, вход Х8 подключен к выходу блока 6, а выходы У1 и У2 связаны с установочными входами счетчика 9 и органа 7 соответственно. Информационный вход последнего вместе с первым входом блока 6 подключен к выходу формирователя 11 амплитудного значения, а второй вход блока 6 подключен к выходу амплитудного детектора 15 органа 7. Инверсный выход органа 7 соединен с первым входом логического элемента 3 ИЛИ-НЕ 8, второй вход которого, объединенный с входом органа 4, подключен к инверсному выходу формирователя 2, а выход и третий вход соединены попарно со счетным входом и основным выходом счетчика 9 циклов, являющимся дополнительным выходом устройства, который связан с его основным входом через орган 10 выдержки времени.

Устройство работает следующим образом.

Ток i электропередачи подается на вход пускового органа 1 и его формирователя 11, где линейно преобразуется в выходное напряжение U₁₁, пропорциональное амплитудному значению I_m тока i. Изменение U₁₁ в фазе его снижения носит ступенчатый характер, причем уровень каждой ступени соответствует значению амплитуды очередного полупериода i, а разность соседних уровней характеризует изменение U_m, пропорциональное изменению I_m амплитуды i за полупериод.

Пусковой орган 1 срабатывает при каждом повышении напряжением U₁₁уровня U_оп1, и его выходное напряжение U1 принимает положительное значение. Если U₁₁ становится меньше U_оп.1, пусковой орган возвращается в исходное состояние с нулевым напряжением U₁ на выходе. В процессе колебаний амплитуды I_m тока i в АР или при КЗ с отключением и неуспешным АПВ происходит срабатывание и возврат пускового органа 1 в каждом цикле, как показано на фиг. 2. При этом в момент срабатывания на инверсном и прямом выходах формирователя 2 возникают один за другим импульсы отрицательной U_2.1 и положительной U_2.2 полярностей соответственно. В моменты возврата пускового органа появляются импульсы U₃ отрицательной полярности на выходе формирователя 3.

Напряжение U₁₁ поступает на информационный вход органа 7 контроля отношения амплитуд, в результате чего на выходе амплитудного детектора 15 этого блока в виде напряжения U₁₅ фиксируются максимальные амплитудные значения I_m.max тока электропередачи в каждом начальном после сброса детектора цикле его колебаний. Срабатывание (U₇>0) и возврат (U₇=0) органа 7 происходят соответственно при
U₁₁<В_ср ˙U₁₅, (4)
U₁₁>В_вр˙ U₁₅, (5) где В_ср и В_вр регулируемые коэффициенты передачи компаратора 16 по нижнему входу до и после его срабатывания.

Изменение напряжения на инверсном выходе органа 4 происходит по тем же условиям, но в обратном порядке. Поскольку U₁₁ и U₁₅пропорциональны соответственно текущему I_m и максимальному I_m.maxамплитудным значениям входного тока i, условия (4) и (5) могут быть выполнены только в том случае, если
I_m.min.i/I_m.max.o<В_ср, (6)
I_m.max.i/I_m.max.o>В_вр, (7) где I_m.min.i минимальное значение амплитуды I_m тока электропередачи в начальном и последующем циклах его колебаний (i=0, 1, 2.); I_m.max.o и I_m.max.i максимальное значение амплитуды I_m в начальном и последующем циклах колебаний (i=1, 2, 3.).

Напряжение U₁₁ поступает также на первый вход блока 6 отстройки от КЗ, в то время как на его второй вход подается напряжение U₁₅ с выхода детектора 15, входящего в состав органа 7. Срабатывание блока 6 (U₆>0) имеет место в начальном цикле при
Δ U₁₁> αU₁₅, (8) где Δ U₁₁ ступень уменьшения Δ U₁₁, пропорциональная уменьшению Δ I_mамплитуды входного тока за полупериод, которое формируется в виде амплитуды импульса U₁₂ на выходе дифференцирующего звена 12; α заданный коэффициент меньше единицы.

С учетом того, что U₁₅ пропорционально максимальному значению I_m.max.o амплитуды входного тока в начальном цикле его колебаний, условие (8) можно записать следующим образом:
Δ I_m/I_m.max.o< α (9)
При отключении КЗ амплитуда тока за один полупериод снижается с I_m.max.o до I_m.min.o и правомерна запись условия (9) в виде
(10)
Работа устройства блокируется при нарушении условия (6), т.е. когда I_m.min.o/I_m.max.o (i= 0) больше В_ср. Поэтому срабатывание блока 6 на сброс устройства с учетом выражения (10) достаточно обеспечить при
1-В_ср> α. (11)
Поскольку В_ср задается равным 0,2-0,3, значение α должно быть не более 0,7-0,8. С другой стороны, при АР с начальным периодом 0,2.0,3 с Δ I_m составляет не более 0,2 I_m.max.o. Следовательно, принимая с запасом α равным 0,25.0,3, можно обеспечить срабатывание блока 6 по условию (11) при КЗ и его надежное несрабатывание в АР по условию (9). Комплексное соблюдение условий (6) и (9) исключает возможность фиксации устройством колебаний тока при КЗ, что существенно повышает его селективность.

Напряжение U_2.1 поступает на один из входов логического элемента в виде отрицательных импульсов в моменты срабатывания пускового органа 1. Они проходят на выход элемента 3 ИЛИ-НЕ 8 в виде положительных импульсов U₈ только при сработанном состоянии органа 7 (U₇=0) и несработанном состоянии счетчика 9 циклов по основному выходу (U_9.2=0). Импульсы U₈учитываются счетчиком 9 по заднему фронту. После прохождения первого импульса напряжение U_17.1 на первом выходе счетчика-дешифратора 17 становится равным нулю. Срабатывание счетчика 9 по дополнительному выходу (U_9.1>0) свидетельствует об отчете n циклов, а срабатывание по основному выходу (U_9.2>0) об отсчете N циклов, регулируемых от n+1 до N_max, причем N_max равно (n+m), где n и m количество входов элемента ИЛИ-НЕ 18 и переключателя 19 соответственно. Число n выбирается обычно равным трем-четырем, чтобы исключить срабатывание счетчика по дополнительному выходу при синхронных качаниях [4]
Напряжение подается на вход органа 4 контроля периода колебаний тока, который устанавливается в ноль (U₄=0) отрицательными импульсами (U_2.1=0) при каждом срабатывании пускового органа 1. Если время между этими импульсами, равное периоду Т_к колебаний, меньше заданного (Т_к<t₄), то блок 4 остается в возвращенном состоянии (U₄=0) в течение всего процесса колебаний. В противном случае он успевает сработать (U₄>0) и возвратить устройство в исходное состояние.

Возврат устройства в этом случае, а также при невыполнении условий (6) и (7) или соблюдении условия (9) осуществляется с помощью установочных сигналов U_5.1 и U_5.2, формируемых на выходах У₁ и У₂ блока 5. На выходы Х₂-Х₉ этого блока поступают выходные напряжения блоков 2-4 и 6-9, которые носят дискретный характер, т. е. могут иметь только два значения нулевое и положительное. В связи с этим работа блока описывается логическими функциями (1)-(3), где логические сигналы Х₁-Х₉на одноименных входах соответствуют напряжениям U₄, U_2.1, U₇, , U₃, U_2.2, U_9.1, U₆, U_17.1.

В соответствии с выражениями (1) и (2) логический сигнал У₁ на одноименном выходе блока 5 равен единице (U_5.1>0), если в момент возврата пускового органа 1 (Х₃=0, Х₅=0) орган 7 находится в сработанном состоянии (=0, Х₄= 0), срабатывает блок 6 (U₆>0, Х₈=1) в начальном цикле колебаний тока (U_17.1>0, Х₉=1), срабатывает блок 4 контроля периода колебаний (U₄>0, Х₁=1), в момент срабатывания пускового органа (U_2.1=0, Х₂=0) орган 5 находится в несработанном состоянии (U₇=0, Х₃=0).

Первое и второе условия реализуются по функции (1) и обеспечивают возврат устройства (сброс органа 7 и счетчика 9) при КЗ по условию (9) и при качаниях по условию (7). Третье и четвертое условия соответствуют функции (2) и обеспечивают возврат устройства при Т_к, большем t₄, и несоблюдении неравенства (6).

В соответствии с функцией (3) логический сигнал У₂ на одноименном выходе блока 5 равен единице (U_5.2>0) при У₁, равном единице (U_5.1>0), а также в моменты срабатывания пускового органа 1 (U_2.2>0), (Х₆=1) после отсчета n циклов (U_9.1>0, Х₇=1). Последнее позволяет осуществлять сброс детектора 15 органа 7 в каждом цикле после выявления АР, чтобы не допустить возврата устройства по условию (7) при резком уменьшении максимальной амплитуды тока последующего цикла за счет отключений, производимых средствами противоаварийной автоматики. Следует подчеркнуть, что сброс детектора 15, вызывающий возврат органа 7, не ведет, как в известном устройстве, к сбросу счетчика и возврату устройства в целом по условию (2), что повышает устойчивость его срабатывания. Проверка этого условия предшествует сбросу детектора 15 и возврату органа 7, так как логические сигналы Х₂ и Х₆ на выходах формирователя 2 появляются последовательно друг за другом, а не одновременно.

Использование: в устройствах противоаварийной автоматики, в частности в автоматике ликвидации асинхронного режима (АР). Сущность: контролируют отношение минимального и максимального значений амплитуд тока в каждом цикле качаний при АР к ее максимальному значению в начальном цикле, контролируют период колебаний, считают циклы колебаний, сигнал на выходе появляется при определенном соотношении этих параметров. Устройство позволяет отстроиться от колебаний тока при коротких замыканиях (КЗ), когда устройство не должно работать благодаря введению блока отстройки от КЗ, реагирующего на превышение заданного значения скорости, уменьшение амплитуды тока в цикле, что позволяет предотвратить излишние срабатывания автоматики ликвидации АР. 2 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ АСИНХРОННОГО РЕЖИМА ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ, содержащее пусковой орган, подключенный входом к выходу датчика тока и включающий в себя формирователь амплитудного значения напряжения, пропорционального входному току, орган контроля отношения амплитуд, состоящий из амплитудного детектора с установочным и информационным входами, являющимися аналогичными входами органа, и компаратора с регулируемым коэффициентом возврата, входы которого соединены с информационным входом и выходом амплитудного детектора, его прямой и инверсный выходы являются аналогичными выходами органа, формирователь импульсов по фронту с прямым и инверсным выходами, формирователь импульсов по срезу с инверсным выходом, орган контроля периода колебаний тока, логический элемент 3ИЛИ НЕ, орган выдержки времени, выход которого является основным выходом устройства, счетчик циклов, состоящий из счетчика-дешифратора, счетный и установочный входы которого являются аналогичными входами счетчика циклов, n входового элемента ИЛИ НЕ и m входового переключателя, входы которых соединены с соответствующими выходами счетчика-дешифратора, а выходы служат соответственно инверсным и основным выходами счетчика циклов, блок установочных сигналов, реализующий функции

Y₂= Y·1

+X·6·X₇,
где X₁, X₂, X₃, X₄, X₅, X₆, X₇ логические сигналы на одноименных входах блока;
Y₁ и Y₂ логические сигналы на одноименных выходах блока;
Y вспомогательный логический сигнал,
причем информационный вход органа контроля отношения амплитуд подключен к выходу формирователя амплитудного значения пускового органа, а установочный вход подключен к выходу Y₂ блока установочных сигналов, выход Y₁ которого связан с установочным входом счетчика циклов, формирователи импульсов по фронту и по срезу подключены входами к выходу пускового органа, а инверсными выходами соединены соответственно с входами X₂ и X₅ блока установочных сигналов, входы X₃ и X₄ которого подключены, соответственно, к прямому и инверсному выходам органа контроля отношения амплитуд, вход X₆ подключен к прямому выходу формирователя импульсов по фронту, вход X₇ подключен к инверсному выходу счетчика циклов, вход X₁ подключен к выходу органа контроля периода колебаний тока, связанного входом с инверсным выходом формирователя импульсов по фронту, логический элемент 3ИЛИ НЕ своими входами соединен с инверсными выходами формирователя импульсов по фронту и органа контроля отношения амплитуд и основным выходом счетчика циклов, а инверсным выходом подключен к счетному входу последнего, орган выдержки времени подключен входом к основному выходу счетчика циклов, который служит также дополнительным выходом устройства, отличающееся тем, что дополнительно введен блок отстройки от коротких замыканий, состоящий из дифференцирующего звена, компаратора и делителя напряжения, причем вход дифференцирующего звена является первым входом этого блока и подключен к выходу формирователя амплитудного значения пускового органа, вход делителя напряжения является вторым входом блока и подключен к выходу амплитудного детектора органа контроля отношения амплитуд, выходы дифференцирующего звена и делителя напряжения соединены соответственно с первым и вторым входами компаратора, выход которого, являющийся выходом блока отстройки от коротких замыканий, подключен к дополнительному входу X₈ блока установочных сигналов, другой дополнительный вход X₉ которого подключен к первому выходу счетчика-дешифратора счетчика циклов, вспомогательный логический сигнал Y формируется с использованием дополнительных сигналов X₈ и X₉ на одноименных входах следующим образом:

а формирователь импульсов по фронту выполнен с последовательным формированием импульсов на инверсном и прямом выходах, формирователь амплитудного значения пускового органа выполнен со ступенчатым переходом с одного значения амплитуды на другое через каждый полупериод входного тока.