СПОСОБ ЗАЩИТЫ УЗЛА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ ПРИ НАРУШЕНИИ ПИТАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02H3/24 H01H83/12 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к релейной защите систем электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий.

Широко известны способы защиты узла электрической нагрузки при нарушениях питания с использованием реле минимального напряжения (например РН-53, РН-54), которые имеют независимые характеристики срабатывания (Когородский В.И. Кужаков С.Л, Паперно Л.Б. Релейная защита электродвигателей напряжением выше 1 кВ. М. Энергоатомзидат, 1987). Время срабатывания таких реле и уставка по напряжению являются фиксированными и величина выдержки времени не зависит от значения остаточного напряжения.

Однако, защита минимального напряжения (ЗМН) должна срабатывать и отключать ввод узла только при опасных аварийных режимах с СЭС. С одной стороны неотключение узла в опасных режимах, сопровождаемых нарушением динамической устойчивости двигательной нагрузки узла, приводит к нереализуемой попытке разогнать после восстановления питания затормозившиеся двигатели, их перегреву, сокращению срока службы и последующему технологически неупорядоченному отключению двигателей индивидуальными токовыми защитами. С другой стороны действие ЗМН в той или иной степени сопряжено с нарушениями производственного процесса вследствие отключения узла защитой.

Из известных способов защиты узла электрической нагрузки наиболее близким к предлагаемому является способ защиты узла электрической нагрузки при нарушениях питания, основанный на регулировании выдержки времени на отключение узла нагрузки в зависимости от величины остаточного напряжения (авт. свид. СССР N 803042, кл. Н 01 Н 83/12, 1981).

Известное устройство для защиты узла электрической нагрузки, выбранное в качестве прототипа заявляемого устройства, содержит датчик трехфазного напряжения, подключенный к узлу нагрузки, и блок выходящих реле с узлом сброса (авт.свид. СССР N 803042, кл. Н 01 Н 83/12, 1981).

Недостаток известного способа и устройства заключается в том, что они также не исключают возможности необоснованных отключений нагрузки.

Задачей изобретения является повышение надежности защиты узла электрической нагрузки при нарушениях питания за счет исключения возможности необоснованных отключений нагрузки.

Поставленная задача достигается тем, что в способе защиты узла электрической нагрузки, основанном на регулировании выдержки времени на отключение узла в зависимости от параметров остаточного напряжения, согласно изобретению дополнительно вводится предварительное задание границы динамической устойчивости узла нагрузки, разложение трехфазной системы остаточного напряжения на составляющие прямой и обратной последовательностей, определение их положения относительно границы статической устойчивости, при выходе параметров остаточного напряжения за границу статической устойчивости, определение выдержки времени на отключение узла нагрузки в соответствии с границей динамической устойчивости узла нагрузки и при сохранении положения параметров остаточного напряжения за границей статической устойчивости до истечения полученной выдержки времени выработке сигнала на отключение узла нагрузки.

Поставленная задача решается также тем, что в устройство защиты узла электрической нагрузки, содержащее датчик трехфазного напряжения, подключенный к узлу нагрузки, и блок выходных реле с узлом сброса, согласно изобретению, дополнительно вводятся блок определения значений прямой и обратной последовательностей остаточного напряжения, блок определения границы статической устойчивости узла нагрузки с задатчиком, блок контроля выхода параметров остаточного напряжения за границу статической устойчивости, блок расчета выдержки времени срабатывания с задатчиком, таймер и блок сравнения.

На фиг.1 приведен график зависимости допустимой продолжительности посадки напряжения t (c) от величины остаточного напряжения u (отн.ед.); на фиг. 2 блок-схема предлагаемого устройства.

В основу предлагаемого способа положен установленный авторами факт, заключающийся в том, что основным критерием для срабатывания ЗМН служит выход параметров посадки напряжения за границу устойчивости узла нагрузки. Авторами установлено, что при симметричных посадках напряжения (одинаковых по всем фазам) граница динамической устойчивости определяется гиперболической зависимостью продолжительности посадки t, с от величины остаточного напряжения u, отн.ед. следующего вида
t a₁ + a₂/(a₃ u) (1)
где a₁, a₂, a₃ постоянные коэффициенты, определяемые путем расчета переходного процесса в СЭС.

При симметричной посадке напряжения зона, ограниченная снизу независимой характеристикой ЗМН (кривая 1 на фиг.1), а сверху границей динамической устойчивости узла (кривая 2 на фиг.1) является областью необоснованной разгрузки узла: узел отключается, хотя его динамическая устойчивость еще сохраняется. Максимально приближая независимую характеристику ЗМН к границе динамической устойчивости можно уменьшить область необоснованных отключений, но полностью исключить ее невозможно. Асимптотой функции, описывающей границу динамической устойчивости, является граница статической устойчивости данного узла нагрузки (линия 3 на фиг.1).

Характеристика реле минимального напряжения, реализующая способ защиты, выбранный в качестве прототипа имеет кусочно-линейный вид (кривая 4 на фиг. 1) и не может совпасть с границей динамической устойчивости узла нагрузки даже при симметричной посадке напряжения, и тем самым также не позволяет полностью использовать область динамической устойчивости узла, хотя область необоснованных отключений сокращается по сравнению с реле с независимой характеристикой.

Однако симметричные посадки напряжения являются частным случаем возмущений в СЭС. Свыше 70% аварийных ситуаций сопровождаются несимметричными посадками напряжения. Переходные процессы двигательной нагрузки узла при этом определяются значениями прямой и обратной последовательностей трехфазной системы остаточных напряжений. Соответственно и граница динамической устойчивости узла нагрузки в этом случае определяется зависимостью продолжительности посадки t, с от составляющих прямой u₁, отн.ед. и обратной u₂, отн.ед. последовательностей остаточного напряжения. Расчетами и экспериментально подтверждена следующая формула для описания границы динамической устойчивости узла двигательной нагрузки при несимметричных возмущениях
t a₁ + a₂/y, (2)
где y a₃ u₁ + a₄ u₂ + a₅ u₂ ² (3)
Здесь a₁, a₂, a₃, a₄, a₅ постоянные коэффициенты, определяемые путем расчета переходного процесса в СЭС при несимметричных возмущениях;
u₁ и u₂ значения прямой и обратной последовательностей остаточного напряжения.

При u₂ 0 формула (2) обращается в формулу (1).

Вычисление значений прямой u₁ и обратной u₂ последовательностей остаточного трехфазного напряжения, снимаемого с датчиков трансформаторов напряжения осуществляется по формулам
(4)

u₁ U₁/U_ном; u₂ U₂/U_ном,
где U_ab, U_bc, U_ca линейные действующие значения напряжений, снимаемые с датчиков в момент посадки напряжения;
U_ном значение номинального напряжения.

Сущность предлагаемого способа заключается в отслеживании границы динамической устойчивости узла электродвигательной нагрузки и обеспечении зависимой выдержки времени реле минимального напряжения в соответствии с зависимостью (2).

Способ осуществляют следующим образом. Задается граница динамической устойчивости узла нагрузки, описываемая выражением (2). Измеряются действующие значения линейных напряжений и определяются составляющие прямой и обратной последовательностей напряжения в соответствии с формулами (4). Определяется значение у по соотношению (3). Если выражение (3) принимает положительное значение, то это свидетельствует о выходе параметров питающего напряжения за границу статической устойчивости узла нагрузки. В таком случае определяется выдержка времени на отключение узла t по формуле (2) и начинается отсчет времени. Если за время, не превышающее t напряжение не восстановилось, т. е. значения u₁ и u₂ находятся за границей статической устойчивости, то вырабатывается сигнал на отключение узла нагрузки; в противном случае прекращается отсчет времени и задатчик времени сбрасывается на ноль. После выработки сигнала на отключение этот сигнал сохраняется до восстановления значения составляющих напряжения в пределах границы статической устойчивости или его ручного сброса.

Предложенный способ может быть реализован на базе цифровой электронной техники. Функциональная схема устройства представлена на фиг.2.

Предлагаемое устройство для реализации способа содержит датчик трехфазного напряжения 1, три вычислительных блока 2, 3 и 5, два блока сравнений 4 и 7, таймер 6, блок выходных реле 8 и узел сбpоса 9.

Вход датчика 1 подключен к шинам контролируемого узла нагрузки, а его выход ко входу вычислительного блока 2 блока определения значений прямой и обратной последовательностей остаточного напряжения. Выход блока 2 соединен со входом вычислительного блока 3 блока определения положения границы статической устойчивости. Блок 3 снабжен задатчиком для ввода необходимых коэффициентов. Выход блока 3 соединен со входом блока сравнения 4 блока контроля выхода параметров остаточного напряжения за границу статической устойчивости и с первым входом вычислительного блока 5 блока определения выдержки времени срабатывания. Выход блока 4 соединен со вторым входом блока 5 и с входом таймера 6. Блок 5 снабжен задатчиком для ввода необходимых коэффициентов. Выход блока 5 соединен с первым, а выход таймера 6 со вторыми входами сравнения 7. Выход блока 7 соединен с первым входом блока выходных реле 8. Второй вход блока 8 присоединен к выходу узла сброса 9. Выход блока 8 воздействует на схему управления входным выключателем узла нагрузки.

Устройство работает следующим образом. Трехфазный электрический сигнал от датчика 1 (измерительного трансформатора напряжения) поступает на вход блока определения прямой и обратной составляющих остаточного напряжения 2, реализующий формулы (4). Вычисленные значения прямой и обратной последовательностей остаточного напряжения поступают на вход блока определения положения границы статической устойчивости у, реализующий формулу (3). Вычисленное блоком 3 значение у поступает на вход блока контроля выхода параметров остаточного напряжения за границу статической устойчивости 4, который при значении у > 0 вырабатывает сигнал, запускающий работу таймера 6 и блока определения выдержки времени срабатывания 5, на другой вход которого поступает значение у от блока 3. Блок 5 реализует функцию (2). Определенная блоком 5 выдержка времени t и значение текущего времени, вырабатываемого таймером, поступают на входы блока сравнения 7, который при их равенстве выдает на срабатывание блока выходных реле 8. Блок выходных реле удерживается в состоянии срабатывания до поступления сигнала сброса от блока 7 или узла сброса 9. Исчезновение сигнала на выходе блока 4, свидетельствующее о восстановлении параметров напряжения в узле нагрузки в пределах границы статической устойчивости, приводит к прекращению работы таймера 6 и сбросу значения текущего времени на ноль. Если это событие происходит до истечения выдержки времени, определяемой блоком 5, то срабатывания блока выходных реле 8 не происходит; в противном случае, это ведет к возврату блока 8 в исходное состояние. Возврат блока 8 в исходное состояние может быть также осуществлен с помощью узла сброса 9 вручную или по какому-либо иному сигналу.

Использование: изобретение относится к области электротехники, а именно к релейной защите систем электроснабжения промышленных предприятий. Сущность: новизна способа заключается в том задается граница статической и динамической устойчивости узла нагрузки, по значениям напряжений в узле определяются симметричные составляющие остаточного напряжения и при выходе их значений за границу статической устойчивости узла нагрузки определяется выдержка времени на отключение, а отключение и узла нагрузки производится при сохранении значений симметричных составляющих за границей статической устойчивости в течение времени, определяемого границей динамической устойчивости. Устройство содержит датчик трехфазного напряжения 1, выход которого подключен ко входу блока определения значений прямой и обратной последовательностей напряжения 2, выход которого присоединен ко входу блока определения положения границы статической устойчивости 3, выход которого подключен к первому входу блока определения выдержки времени 5 и входу блока контроля 4, выход которого соединен со вторым входом блока определения выдержки времени 5 и таймеров 6, подключенным к одному из входов блока сравнения 7, другой вход которого подключен к выходу блока определения выдержки времени 5, а выход подсоединен к первому входу блока выходных реле 8, второй вход которого подключен к выходу узла сброса 9, а выходной сигнал передается в схему управления входным выключателем узла нагрузки. Данное изобретение позволяет: повысить надежность работы защиты узла электрической нагрузки при нарушениях питания за счет исключения необоснованных отключений узла. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ защиты узла электрической нагрузки при нарушении питания, включающий измерение линейных действующих напряжений и регулирование выдержки времени на отключение узла нагрузки в зависимости от параметров остаточного напряжения, отличающийся тем, что предварительно задают границу статической и динамической устойчивости узла нагрузки, затем по значениям линейных действующих напряжений определяют значения прямой и обратной последовательностей остаточного напряжения, после чего находят их положение относительно границы статической устойчивости и при условии выхода значений прямой и обратной последовательностей остаточного напряжения за границу статической устойчивости производят определение выдержки времени на отключение узла нагрузки, а отключение последнего осуществляют при сохранении значений прямой и обратной последовательностей остаточного напряжения за границей статической устойчивости в течение промежутка времени, определяемого границей динамической устойчивости. 2. Устройство для защиты узла электрической нагрузки при нарушении питания, содержащее датчик трехфазного напряжения, подключенный к узлу нагрузки, и блок выходных реле, отличающееся тем, что в него дополнительно введены блок определения значений прямой и обратной последовательностей остаточного напряжения, блок определения положения границы статической устойчивости узла нагрузки с задатчиком, блок контроля выхода параметров остаточного напряжения за границу статической устойчивости, блок определения выдержки времени срабатывания с задатчиком, таймер, блок сравнения и блок сброса, причем выход датчика трехфазного напряжения подключен к входу блока определения значений прямой и обратной последовательностей остаточного напряжения, выход которого присоединен к входу блока определения положения границы статической устойчивости узла нагрузки, выход которого подключен к первому входу блока определения выдержки времени срабатывания и входу блока контроля выхода параметров остаточного напряжения за границу статической устойчивости, выход которого соединен с вторым входом блока определения выдержки времени срабатывания и таймером, подключенным к одному из входов блока сравнения, другой вход которого подключен к выходу блока определения выдержки времени срабатывания, а выход подсоединен к первому входу блока выходных реле, второй вход которого подключен к выходу блока сброса.