ТРЕХФАЗНОЕ РЕЛЕ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 1996 года по МПК H02H3/24 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в устройствах релейной защиты и автоматики электроустановок переменного тока.

Известны трехфазные реле напряжения в системах релейной защиты, которые реагируют как на симметричные, так и на несимметричные понижения напряжения трехфазной сети (см.авт.св. N 616677, кл. Н 02 Н 3/24), содержащее трансформатор напряжения, трехфазный выпрямитель, делитель напряжения, дифференцирующую цепочку, пороговый орган, стабилитрон, транзистор и фильтрующие конденсаторы. Недостатком реле является сложность выбора и регулировки установок по напряжению двух пороговых органов и зависимость уставки срабатывания второго порогового органа от вида несимметрии и формы контролируемого напряжения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому реле и принятым за прототип является трехфазное реле напряжения, содержащее последовательно соединенные промежуточный трехфазный трансформатор напряжения, трехфазный выпрямитель, пороговый элемент, счетчик импульсов, запоминающий регистр и дешифратор, выход которого является выходом реле, нуль-индикатор, подключенный входами к выходам трансформатора, первый дешифратор, включенный между одним выходом нуль-индикатора и записывающим входом запоминающего регистра, блок задержки, подключенный входом к другому выходу нуль-индикатора, а выходом через второй дифференциатор к сбрасывающему входу счетчика импульсов.

На выходе порогового элемента появляются импульсы напряжения, которые в течение одного периода подсчитываются счетчиком импульсов. На выходе нуль-индикатора появляются прямоугольные импульсы с длительностью, равной полупериоду контролируемого напряжения. Продифференцированный передний фронт этих импульсов производит запись состояния счетчика импульсов в запоминающий регистр. Передним фронтом импульсов после второго дифференциатора производится сброс счетчика. Если количество импульсов за период контролируемого напряжения равно трем, то это означает, что напряжение всех трех фаз выше уставки, на запоминающий регистр записывается число 3 в двоичном коде (110), на выходе дешифратора возникает логический нуль. Если количество импульсов меньше 3, это означает, что напряжение одной или двух, или всех трех фаз меньше напряжения уставки, на выходе дешифратора устанавливается логическая единица, обеспечивающая срабатывание реле.

Недостатком реле является то, что оно может быть использовано только как реле понижения напряжения с фиксированным временем отключения. Для предотвращения ошибочного включения недовозбужденного генератора на шины, защита от минимального напряжения генератора должна срабатывать мгновенно. Например "Правила классификации и постройки морских судов, ч.ХI "Электрооборудование, Л. Транспорт, 1981 (регистр СССР) в п.5,2,9,6 требуют от защиты минимального напряжения генератора выполнения следующих двух функций:
1) срабатывать с выдержкой времени на отключение генераторов от шин при снижении напряжения;
2) срабатывания мгновенного при попытке подключиться в шинам генератора до достижения требуемого минимального напряжения.

Однако известное реле выполняет только первую функцию.

Технический эффект предлагаемого решения расширение функциональных возможностей за счет функционирования его в двух режимах путем введения гистерезиса по времени в характеристику срабатывания реле.

Указанный технический эффект достигается тем, что в реле напряжения содержащее последовательно включенные трехфазный трансформатор напряжения, трехфазный выпрямитель, пороговый элемент, счетчик импульсов, запоминающий регистр и дешифратор, нуль-индикатор, подключенный входами к выходам трансформатора, первый дешифратор, включенный между одним из выходов нуль-индикатора и записывающим входом запоминающего регистра, блок задержки, подключенный входом к другому выходу нуль-индикатора, а выходом через второй дифференциатор к сбрасывающему входу счетчика импульсов, введены элемент времени и выходной орган, соединенные последовательно, логический повторитель положения генераторного автомата и элемент И, причем выход дешифратора соединен с управляющим входом элемента времени и с одним из входов элемента И, другой вход которого через логический повторитель соединен с выходом выходного органа, выход элемента И соединен с информационным входом элемента времени и является блокирующим входом блока сигнализации, причем в реле напряжения элемент времени содержит счетчик, два инвертора, два резистора и транзистор, первый инвертор включен между управляющим входом элемента времени и одним из входов счетчика, выход счетчика соединен через последовательно включенные второй инвертор и первый резистор с базой транзистора, выход элемента времени коллектор транзистора, соединенный через второй резистор с общей шиной, эмиттер транзистора соединен с источником питания.

На фиг.1 приведена блок-схема трехфазного реле напряжения; на фиг.2 схема элемента времени; на фиг.3 упрощенная схема выходного органа; на фиг.4 схема логического повторителя положения генераторного автомата.

Приняты следующие обозначения: 1 трехфазный трансформатор напряжения ТН, 2 трехфазный выпрямитель В, 3 пороговый элемент ПЭ, 4 счетчик импульсов СИ, 5 запоминающий регистр ЗР, 6 дешифратор Дш, 7 нуль-индикатор НИ, 8 первый дифференциатор 1Д, 9 блок задержки БЗ, 10 второй дифференциатор 2Д, 11 элемент времени ЭВ, 12 выходной орган ВО, 13 логический повторитель положения генераторного автомата ЛП, 14 элемент И, 15,16 инверторы, 17 счетчик, 18,19 резисторы, 20 транзистор, 21 диод, 22 накопитель, 23 тиристор, 24 блок-контакт автоматического выключения (автомата) генератора, 25 независимый расцепитель генераторного автомата, 26, 27 резисторы делителя, 28 конденсатор, 29 преобразователь уровня.

Трансформатор ТН1, выпрямитель В 2, пороговый элемент ПЭ 3, счетчик СИ 4, регистр ЗР 5, дешифратор Дш 6 соединены последовательно, входы НИ 7 соединены с выходами ТН 1, выход НИ 7 через 1Д 8 соединен с записывающим входом регистра ЗР 5. Второй выход НИ 7 через последовательно соединенные блок БЗ 9 и 2Д 10 соединен со сбрасывающим входом счетчика СИ 4. Выход Дш 6 соединен с управляющим входом ЭВ 11 и с одним из входов элемента И 14. Выход ЭВ 11 соединен с управляющим входом выходного органа ВО 12, выход которого является выходом реле. Другой вход элемента И 14 через логический повторитель ЛП 13 соединен с выходом ВО 12, выход элемента И 14 соединен с информационным входом ЭВ 11 и является блокирующим входом блока сигнализации о срабатывании реле.

Элемент времени ЭВ 11 (фиг.2) построен с применением программируемого счетчика делителя 17 на микросхеме КА51ИЕ15 (или 564ИЕ15), инверторов 15, 16 (К561ЛА7), резисторов 18, 19 и усилителя на транзисторе 20. Управляющим входом элемента времени является вход К_с микросхемы 17, а информационными входом входы I₆, I₁₀, I₁₃ и К_а микросхемы 17.

В режиме деления частоты на тактовый вход С микросхемы 17 подаются прямоугольные импульсы от генератора счетных импульсов с частотой f_п, на выходе микросхемы получаются положительные импульсы с частотой f_п/N, где N коэффициент деления, который может изменяться от 3 до 15999 с дискретом, равным 1.

Синтез счетчика построен таким образом, что его функциональное назначение описывается следующим математическим выражением:
N M(1000P₁ + 100P₂ +
+10 P₃ + P₄) + P₅ (1) где М модуль, устанавливаемый входами К_а, К_в, К_с;
Р₁ множитель тысяч устанавливается входами I₂, I₃, I₄;
Р₂, Р₃, Р₄ множители сотен, десятков, единиц, устанавливается соответственно входами I₁₃-I₁₆; I₉-I₁₂; I₅-I₈.

Р₅ остаток, устанавливается входом I₁.

Модуль М может принимать значение: 2,4,5,8,10 и предназначается для быстрого ступенчатого изменения частоты в 10; 12,5; 20, 25 и 50 раз. Т.к. имеется пять значений модуля, то для выбора определенного значения М используются три входа К_а, К_в, К_с. Более подробно описание работы микросхемы 17 приведено в отраслевом стандарте "Микросхемы интегральные. Серия 564. Руководство по применению ОСТ 11340.907-80".

В предлагаемом изобретении на управляющий вход К_с (фиг.2) элемента времени ЭВ 11 сигнал подается с выхода Д_ш 6, а информационный вход связан с выходом элемента И 14.

Рассмотрим два основных режима работы элемента времени:
1) (фиг.5) генераторный автомат включен и на первом входе элемента И 14 находится лог. 1. В этом режиме при срабатывании ПЭ 3 (напряжение на защищаемом объекте ниже уставки) на выходе Дш 6, а значит, и на управляющем входе элемента ЭВ 11 появляется также лог.1. При этом на выходе элемента И 14, а значит, и на информационном входе ЭВ 11 сигнал равен лог.1.

В этом режиме на выходе элемента ЭВ 11 лог. 1 появляется с выдержкой, зависящей от предварительно заданного коэффициента деления N по выражению (1). Например, для выдержки времени 3с
N 5 (0 + 100 + 20 + 0) + 0 600.

Уставка по времени определятся как произведение периода тактового импульса (Т 5 мс) на коэффициент деления, т.е.

t_1уст Т ·N 5 · 600 3000 мс
2) (фиг.6) генераторный автомат отключен и на первом входе элемента И 14 находится лог.0. В этом режиме при срабатывании элемента ПЭ 3 (попытка подключиться к шинам генератора до достижения требуемого напряжения) на управляющем входе элемента ЭВ 11 появляется лог.1. При этом на выходе элемента И 14, а значит, и на информационном входе ЭВ 11 сигнал равен лог.0.

В этом режиме на выходе ЭВ 11 лог.1 появляется с выдержкой времени, определяемой другим коэффициентом деления
N_o 8 (0 + 0 + 2 + 0) + 0 16
t_o Т ·N_о 5 ·16 80 мс.

Транзистор 20 в ЭВ 11 служит для усиления мощности. Логический уровень сигнала на коллекторе транзистора 20 соответствует логическому уровню сигнала на выходе микросхемы 17.

Выходной орган (фиг.3) содержит накопительную батарею конденсаторов 22 и тиристор 23 для разряда накопленной энергии на обмотку независимого расцепителя генераторного автомата 25. Тиристор 23 открывается при подаче его на управляющий вход, соединенный с выходом ЭВ 11, сигнала о необходимой для срабатывания реле выдержке времени. Заряд конденсатора накопителя 22 производится через диод 21 с блока питания, имеющегося в реле напряжения.

Внешними элементами органа ВО 12 являются блок-контакт (БК) генераторного автомата 24 и обмотка независимого расцепителя (НР) генераторного автомата 25. Схема включения органа ВО 12, БК генераторного автомата и обмотки НР приведена, например, в книге Константинова В.Н. "Системы и устройства автоматизации судовых электроэнергетических установок". Л. Судостроение, 1972, с.284, рис.6.17. Обмотка НР не предназначена для длительного протекания тока срабатывания и поэтому требует включения через БК автомата (по требованиям технических условий на автоматические выключатели АМ-М (МРТУ16-522.013-67), ВА (ТУ16-522.132-77)).

Орган ВО 12 соединен со входом логического повторителя ЛП 13 анодом тиристора 23.

ЛП 13 состоит из делителя на резисторах 26, 27, конденсатора 28 и преобразователя уровня 29 (например, на микросхеме К561ПУ4). Статический ЛП 13 определяет состояние генераторного автомата без применения дополнительных блок-контактов генераторного автомата, которые не отличаются высокой надежностью. Кроме того, применение ЛП 13 не требует дополнительных внешних связей от реле напряжения до блок-контакта генераторного автомата.

ЛП 13 работает следующим образом. При включенном генераторном автомате БК 24 замкнут, и напряжение накопителя 22 полностью приложено к аноду тиристора 23, который связан со входом ЛП 13. При этом на выходе ЛП 13 появляется лог. 1 и реле напряжения подготовлено для работы с выдержкой времени. При отключенном генераторном автомате БК 24 разомкнут, и на входе ЛП 13 напряжение равно 0 и значит и на выходе ЛП 13 сигнал равен лог.0 и реле напряжения подготовлено для работы с малой выдержкой времени, предназначенной для отстройки от импульсных помех.

Реле напряжения работает следующим образом.

Если количество импульсов на выходе ПЭ 3 меньше трех, на выходе Дш 6 устанавливается лог.1. Если при этом на информационном входе ЭВ 11 лог.1, то на выходе ЭВ 11 сигнал появляется с выдержкой времени, если лог.0, то выходной сигнал появляется без выдержки времени.

Рассмотрим два режима работы реле напряжения:
1) режим срабатывания реле на отключение генераторного автомата при снижении напряжения до уставки U_ср. Этому режиму соответствует нисходящая характеристика срабатывания с выдержкой времени t₁ (фиг.7);
2) режим срабатывания реле при попытке подключения к шинам генератора до достижения требуемого напряжения. Этому режиму соответствует восходящая характеристика срабатывания с выдержкой времени t_о ≈ 0.

Как правило, многие реле имеют дистанционную сигнализацию о срабатывании. Если при пуске генератора время подъема напряжения генератора окажется больше выдержки времени, известное реле выдает ложный сигнал о срабатывании реле. (Генераторный автомат в этом режиме не включен, поэтому реле на него не воздействует).

Введение ЛП 13 и элемента И 14 позволяет отличить этот режим от других аварийных режимов и использовать сигнал с выхода элемента И 14 для блокировки блока сигнализации. Это позволяет при необходимости увеличить быстродействие реле независимо от времени подъема напряжения генератора при его запуске.

Таким образом, введение дополнительных элементов позволит:
1) расширить функциональные возможности известного реле, т.е. заменить два реле напряжения с разными выдержками времени одним;
2) повысить надежность реле, исключив выпадание ложного сигнала о срабатывании реле.

Предлагаемое реле напряжения используется в модернизированных реле минимального напряжения, входящих в устройство защиты генератора комплектов КЗГ-50 и КЗГ-50Р, разработанных ВНИИР.

Модернизированное реле отличается от прототипа расширенными функциональными возможностями, повышенной надежностью, приемлемыми массогабаритными показателями и имеет следующие характеристики:
уставка по минимальному напряжению (0,5-0,8) U_ном
выдержка времени (t₁) 0,6, 3,0, 7,0, 10 с
(t_о) 80 мс
габаритные размеры 170 х 170 х 32 мм.

Технико-экономическая эффективность предложенного устройства состоит в замене двух требуемых реле одним и в повышении надежности реле. Точное определение экономической эффективности может быть выполнено по результатам изготовления и эксплуатации реле.

Использование: в устройствах релейной защиты и автоматики электроустановок переменного тока, для повышения надежности защиты. Сущность изобретения: реле, содержащее последовательно соединенные промежуточный трехфазный трансформатор напряжения 1, трехфазный выпрямитель 2, пороговый элемент 3, счетчик импульсов 4, запоминающий регистр 5 и дешифратор 6, выход которого является выходом реле, нуль-индикатор 7, подключенный входами к выходам трансформатора 1, первый дешифратор 8, включенный между одним из выходов , нуль-индикатора и записывающим входом запоминающего регистра, блок задержки, подключенный входом к другому выходу нуль-индикатора 7, а выходом через второй дешифратор 10 к сбрасывающему входу счетчика импульсов 4, введены элемент времени 11 и выходной орган 12, соединенные последовательно, логический повторитель положения генераторного автомата 13 и элемент И 14, причем дешифратор 6 реле соединен с управляющим входом элемента времени 11 и с одним из входов элемента И 14, другой вход которого через логический повторитель 13 соединен с выходом выходного органа 12, выход элемента И 14 соединен с информационным входом элемента времени 11 и является блокирующим входом блока сигнализации. Введение логического повторителя 13 и элемента И 14 позволят отличить режим срабатывания реле при попытке подключения к шинам генератора до достижения требуемого напряжения от других аварийных режимов и использовать сигнал с выхода элемента И 14 для блокировки блока сигнализации. 7 ил.

ТРЕХФАЗНОЕ РЕЛЕ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее последовательно включенные трехфазный трансформатор напряжения, трехфазный выпрямитель, пороговый элемент, счетчик импульсов, запоминающий регистр, дешифратор, нуль-индикатор, подключенный входами к выходам трансформатора, первый дифференциатор, включенный между одним из выходов нуль-индикатора и записывающим входом запоминающего регистра, блок задержки, подключенный входом к другому выходу нуль-индикатора, а выходом через второй дифференциатор - к сбрасывающему входу счетчика импульсов, отличающееся тем, что введены элемент времени и выходной орган, соединенные последовательно, логический повторитель положения генераторного автомата и элемент И, причем выход дешифратора соединен с управляющим входом элемента времени и одним из входов элемента И, другой вход которого через логический повторитель соединен с выходом выходного органа, выход элемента И соединен с информационным входом элемента времени и является блокирующим входом блока сигнализации.