РЕЛЕ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 1997 года по МПК H02H3/08 H01H83/20 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите и автоматике (РЗА) энергосистем.

Известно реле переменного тока, в котором формируется величина, пропорциональная амплитуде каждого полупериода входного тока [1] Для этой цели использован входной преобразователь тока, подключенные к его выходу информационными входами разнополярные амплитудные детекторы, блок установочных сигналов, связанный выходом с установочными входами этих детекторов и максиселектор, попарно подключенный прямым и инверсным входом к выходам детекторов положительной и отрицательной полярности.

Формируемая на выходе максиселектора величина сравнивается с заданной с помощью компаратора. Это реле выполнено на микроэлектронной элементной базе, сочетает в себе высокую помехоустойчивость с малыми (до 10-20 мс) временами срабатывания и возврата.

Недостатком этого реле является недостаточная чувствительность при использовании в схемах РЗА из-за отсутствия отстройки от качаний и асинхронного хода, а также ограниченные функциональные возможности.

Известно также реле переменного тока [2] где упомянутые недостатки частично устранены путем дополнения схемы известного реле [1] специальной схемой контроля уровня приращения амплитуды входного тока за полупериод, состоящей из последовательно включенных сумматора выходных напряжений детекторов, коммутатора и компаратора. Этот уровень при известной частоте входного сигнала пропорционален скорости увеличения амплитуды, по которой удается отличить режимы короткого замыкания и качаний.

Однако это можно сделать только при максимальном действии реле с помощью мажоритарного логического элемента.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому реле является реле переменного тока [3] в нем сохранены все достоинства и частично устранены недостатки рассмотренного выше реле [1] путем дополнения последнего схемой контроля скорости снижения амплитуды входного сигнала, позволяющей повысить чувствительность реле в режиме минимального действия посредством отстройки от качаний и асинхронного хода. Кроме того, расширены функционально возможности реле за счет наличия трех выходов, позволяющих использовать реле в качестве обычного реле переменного тока, подобно [1] в качестве реле скорости снижения амплитуды тока и комплексно. Основная часть схемы реле [3] аналогична схеме рассмотренного реле [1] и состоит из преобразователя тока 1, амплитудных детекторов положительной 2 и отрицательной 3 полярностей, формирователя 4 установочных сигналов, максиселектора 5 и компаратора 6. Дополнительная часть схемы, контролирующая скорость снижения амплитуды тока, содержит амплитудный детектор 7, второй 8 и третий 11 компараторы, элемент 9 задержки, вычитатель 10 и мажоритарный элемент 12.

Недостатком этого реле является невозможность контроля скорости увеличения амплитуды входного сигнала, что снижает чувствительность реле в режиме максимального действия из-за отсутствия отстройки от асинхронного хода, а также ограничивает функциональные возможности по применению реле в качестве реле скорости изменения амплитуды тока независимо от ее знака.

Задачей изобретения является повышение чувствительности реле в режиме максимального действия путем отстройки от качаний и асинхронного хода и расширение функциональных возможностей посредством использования дополнительных дискретных и аналоговых выходов реле. Получаемый при этом технический результат проявляется в повышении устойчивости функционирования и надежности устройства РЗА, где изобретение может быть использовано.

Поставленная задача решается тем, что в известном реле, содержащем входной преобразователь тока, формирователь установочных сигналов, два амплитудных детектора, первый из которых положительной полярности, вычитатель, первый и второй компараторы, вторые входы которых служат для подачи опорных напряжений, а выходы являются первым и вторым выходами реле соответственно, мажоритарный элемент, причем третий вход последнего замкнут на его выход, являющийся третьим выходом реле, а первый и второй попарно подключены к выходам упомянутых компараторов, информационные входы амплитудных детекторов и вход формирователя установочных сигналов объединены и подключены к выходу преобразователя тока, установочный вход первого амплитудного детектора подключен к первому выходу упомянутого формирователя, а первый вход второго компаратора подключен к выходу вычитателя, формирователь установочных сигналов выполнен из управляемого генератора прямоугольных импульсов, вход которого является входом этого формирователя, двух формирователей импульсов по входу и срезу соответственно и двух включенных последовательно элементов задержки, вход первого из которых подключен к выходу управляемого генератора, а выход второго связан с объединенными входами формирователей импульсов по фронту и срезу, выходы которых и выходы управляемого генератора и первого элемента задержки соответственно служат первым и дополнительно введенными вторым, третьим и четвертым выходами формирователя установочных сигналов, второй амплитудный детектор выполнен положительной полярности с инверсным информационным входом, а его установочный вход подключен к второму входу формирователя установочных сигналов и дополнительно введены двухканальный аналоговый ключ с прямым и инверсным входами и выходами по каждому каналу и раздельными установочными входами и второй мажоритарный элемент, первый и второй входы которого выполнены инверсными, причем эти входы попарно соединены с одноименными входами первого мажоритарного элемента, а третий вход второго элемента замкнули на его выход, являющийся дополнительным четвертым выходом реле, прямые входы каналов аналогового ключа подключены к выходу второго амплитудного детектора, инверсные входы этих каналов подключены к выходу первого амплитудного детектора, установочные входы первого и второго каналов упомянутого ключа подключены к четвертому и третьему выходам блока установочных сигналов соответственно, прямой и инверсный выходы первого канала аналогового ключа объединены по его первому выходу, который связан также с дополнительно введенным пятым выходом реле и подключен к первым входам вычитателя и первого компаратора, прямой и инверсный выходы второго канала аналогового ключа объединены по его второму выходу, подключенному к второму входу вычитателя, выход которого служит дополнительным шестым выходом реле.

Сопоставительный анализ признаков предлагаемого решения и признаков аналогов и прототипа свидетельствуют о его соответствии критерию "новизна".

Изобретение решает следующие функциональные задачи:
1. Специальное выполнение формирователя установочных сигналов предусмотрено для
раздельной установки в нуль однополярных амплитудных детекторов короткими (1 мс) импульсами, формируемыми попеременно на первом и втором выходах формирователя с частотой входного тока или автоколебаний управляемого генератора при отсутствии этого тока.

управления режимами каналов аналогового ключа, смещенными по времени с помощью первого элемента задержки сигналами на третьем и четвертом выходах формирователя, отслеживающими частоту колебаний генератора, причем изменение упомянутых режимов предшествует формированию установочных импульсов детекторов за счет второго элемента задержки.

2. Введение двухканального аналогового ключа необходимо для получения на прямых, объединенных с инверсными выходами каждого канала смещенных по времени сигналов, пропорциональных амплитуде каждого полупериода входного тока со ступенчатым переходом с предыдущего значения на последующее.

3. Второй мажоритарный элемент с инверсным первым и вторым входами организует дополнительный четвертый выход реле, который целесообразно использовать в режиме максимального действия реле для повышения его чувствительности путем отстройки от качаний и асинхронного хода.

4. Пятый и шестой аналоговые выходы реле расширяют его функциональные возможности, так как могут быть задействованы в схемах РЗА для снятия сигналов, пропорциональных амплитуде входного тока и скорости ее измерения соответственно.

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого реле; на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие ее работу, где выходные напряжения блоков обозначены U_ij (i индекс блока, j номер выхода), U_оп1 и U_оп2 () опорные напряжения на вторых выходах компараторов 12 и 13, t₆ и t₇ времена задержки элементов 6 и 7.

Реле содержит входной преобразователь 1 тока; формирователь 2 установочных сигналов из последовательно включенных управляемого генератора 3 прямоугольных импульсов и элементов 7 и 6 задержки, а также формирователей 4 и 5 импульсов по фронту и срезу соответственно, входы которых подключены к выходу элемента 6, причем выходы блоков 4, 5, 3 и 7 служат первым, вторым, третьим и четвертым выходами формирователя 2 соответственно, а его входом является вход генератора 3; амплитудные детекторы 8 и 9 положительной полярности, первый из которых с прямым, а второй инверсным информационным входом двухканальный аналоговый ключ 10 с прямыми 1, 2 и инверсными входами и выходами по каждому каналу и с управляющими входами первого 1 и второго 2 каналов, причем выходы каналов 1, и 2, объединены по первому и второму выходам ключа; вычитатель 11; компараторы 12 и 13, мажоритарные элементы 14 и 15, причем последний с инверсным первым и вторым входами.

Реле имеет шесть выходов, которые в порядке возрастания связаны с выходами блоков 12 15, первым выходом ключа 10 и выходом вычитателя 11. Информационные входы детекторов 8 и 9 и вход формирователя 2 подключен к выходу преобразователя 1, в то время как управляющие входы детекторов 8, 9 и ключа 10 (входы 1 и 2) попарно подключены к первому, второму, третьему и четвертому выходам формирователя 2. Прямые входы каналов ключа 10 подключены к выходу детектора 9, а его инверсные входы к выходу детектора 8. Первый вход компаратора 12 подключен к первому выходу ключа, а первый вход компаратора 13 к выходу вычитателя 11. Входы последнего попарно подключены к одноименным выходам ключа 10. Первый и второй входы элементов 14 как и аналогичные входы элемента 15 подключены к выходам компараторов 12 и 13 соответственно, и третий вход каждого из этих элементов замкнут на его выход.

С точки зрения реализуемости схемы реле следует заметить, что блоки 4 - 15 являются типовыми и могут быть выполнены на базе стандартных микросхем. Схемы преобразователя 1 также известны, например, в виде трансреактора. Что касается генератора 3, то его можно выполнить также, как в известном реле [2] (блоки 7 и 8 на фиг. 1) или другом известном реле [4] (блок 4 без выходного дифференциатора 38).

Реле работает следующим образом.

Преобразователь 1 тока осуществляет линейное преобразование входного тока i_вх в выходное напряжение U₁, которое поступает на информационные входы амплитудных детекторов 8 и 9 и вход формирователя 2 установочных сигналов.

При возрастающем входном токе (U₁ > 0) детекторов 8 работает в режиме слежения и напряжения U₈ на его выходе по существу повторяет входное напряжение U₁. В ходе последующего уменьшения U₁ напряжение U₈ остается на максимальном уровне, так как детектор 8 переходит в режим запоминания. Аналогичным образом работает и амплитудный детектор 9, но только при отрицательном сигнале (U₁ < 0), инвертированном по его информационному входу (U₁ > 0). На выходе этого детектора имеет место напряжение U₉.

Управляемый генератор 3 формирователя 2 установочных сигналов вырабатывает на выходе прямоугольные импульсы U₃ с частотой управляющего сигнала U₁ и фиксированной амплитудой, причем импульсы и паузы практически совпадают в координатах времени с положительными и отрицательными полупериодами сигнала U₁ соответственно. При отсутствии управляющего сигнала (U₁ 0) генератор переходит в режим автоколебаний с заданной частотой, которая меньше частоты входного тока. Импульсы U₇ и U₆, формируемые на выходах элементов 7 и 6 задержки, полностью повторяют импульсы U₃, но с отставанием на времена t₇ и (t₇ + t₆) соответственно. По фронту и срезу импульсов U₆ формируются короткие (до 1 мс) импульсы U₄ и U₅, которые через первый и второй выходы формирователя 2 установочных сигналов поступают на установочные входы детекторов 8 и 9. При этом импульсы U₄ и U₅ устанавливают в нуль детекторы 8 и 9 в начале каждого положительного (U₈ 0) и отрицательного U₉(U 0) полупериодов сигнала U₁. При отсутствии U₁ импульсы U₄ и U₅ возникают с частотой автоколебаний генератора 3, обеспечивая быструю установку в нуль обоих детекторов (U₈ U₉ 0).

Импульсы U₃ и U₇ управляют состоянием каналов, ключа 10 через третий и четвертый выходы формирователя 2, связанные с управляющими входами 1 и 2 ключа соответственно. При положительных значениях U₃ (U₇) открыт прямой канал 1 (2), а при нулевых значениях инверсный 1 (2). Благодаря этому на первом выходе ключа 10 (объединенный выход канала 1) имеет место сигнал U_10.1, ступенчато изменяющийся через каждый полупериод входного тока до уровня, пропорционального его амплитуде, запоминаемой детекторами 8 и 9 в виде напряжения U₈ и U₉. На втором выходе ключа 10 имеет место сигнал U_10.2, аналогичный U_10.1, но смещенный относительно последнего на время t₇ несовпадения управляющих импульсов U₃ и U₈, задаваемое элементом 7 задержки.

Сигнал U_10.1 поступает на аналоговый выход 5 реле и первый вход компаратора 12. Условие срабатывания (U_10.1 > U_оп1) этого компаратора, выход которого связан с первым выходом реле, соответствуют условию обычного реле переменного тока, например [1]
На выходе читателя 11, являющимся аналоговым выходом 6 реле, имеет место импульсный сигнал U₁₁, равный разности входных сигналов U_10.1 и U_10.2. При этом длительность импульсов равна t₇, а их амплитуда пропорциональна разности амплитуд, соответствующих последующему и предыдущему полупериодам U₁, а значит и i_вх. Эта разность в свою очередь при известной частоте i_вх (приблизительно равно 50 Гц) пропорциональна скорости изменения амплитуды i_вх независимо от ее знака.

Сигнал U₁₁ подается на первый вход компаратора 13, срабатывание которого (U₁₃ > 0 при U₁₁ > U_оп2) свидетельствует о том, что скорость увеличения амплитуды тока превысила заданное значение. Одновременное срабатывание компараторов 12 и 13 в режиме максимального действия реле приводит к срабатыванию мажоритарного элемента 14 (U₁₄ > 0), что указывает на короткое замыкание (КЗ) в заданной зоне. При качаниях и асинхронном ходе компаратор 13 за счет выбора U_оп2 не срабатывает, что позволяет при выборе U_оп1 не учитывать условий отстройки от этих режимов. Тем самым повышается чувствительность максимальных токовых защит от КЗ, где может быть использовано предлагаемое реле по третьему выходу (выход элемента 14).

Использование реле по четвертому выходу (выход мажоритарного элемента 15) целесообразно в минимальных защитах или в тех устройствах автоматики, где требуется для повышения чувствительности отстройки от качаний и асинхронного хода. При этом меняются местами режимы срабатывания и возврата компараторов 12 и 13, а U_оп2 на втором входе последнего заменяется на другого знака. Одновременно срабатывание компараторов (U₁₂ < 0 и U₁₃ < 0) возможно только при U_10.1 < U_оп1 и U₁₁ < U_оп. Только в этом случае сигнал U₁₄ на выходе компаратора 14 станет положительным.

Таким образом, предлагаемое реле позволяет добиться повышения чувствительности использующих его устройств РЗА как в режиме максимального, так и в режиме минимального действия за счет отстройки от качаний и асинхронного хода по скорости изменения амплитуды входного тока (задействован выход 3 или 4 реле).

Кроме того, реле можно использовать по функциям реле переменного тока (выход 1) или реле скорости изменения амплитуды тока (выход 2). Аналоговые выходы 5 и 6 могут потребоваться в устройствах автоматики энергосистем, а также в измерительной или вычислительной технике. Все это указывает на расширенные функциональные возможности реле.

Использование: в электронике, в частности релейной защите и автоматике энергосистем. Сущность изобретения: в известном реле, содержащем входной преобразователь тока, формирователь установочных сигналов, два амплитудных детектора, вычитатель и мажоритарный элемент, упомянутый формирователь выполнен из управляемого генератора прямоугольных импульсов и двух элементов задержки, к выходу последнего из которых параллельно друг к другу подключены формирователи импульсов по фронту и срезу соответственно, оба детектора имеют положительную полярность, дополнительно введены двухканальный аналоговый ключ с прямым и инверсным входами и выходами по каждому каналу с раздельными установочными входами и второй мажоритарный элемент с инверсным первым и вторым входами и обратной связью по третьему. С помощью блока установочных сигналов производится управление детекторами (выходы формирователей импульсов) и ключом (выходы генератора и первого элемента задержки). Входы ключа связаны с выходами детекторов, а по первому и второму выходам (объединенные выходы каналов) формируют смещенные друг относительно друга сигналы, пропорциональные амплитуде входного тока. Разность этих сигналов на выходе вычитателя пропорциональна скорости изменения упомянутой амплитуды. Реле имеет логические выходы по функциям реле переменного тока и скорости изменения его амплитуды, а также по выходам мажоритарных элементов и аналоговые выходы (выходы ключа и вычитателя). Технический результат проявляется в повышении чувствительности реле и расширении его функциональных возможностей. 2 ил.

Реле переменного тока, содержащее входной преобразователь тока, формирователь установочных сигналов, два амплитудных детектора, первый из которых положительной полярности, вычитатель, первый и второй компараторы, вторые входы которых служат для подачи опорных напряжений, выходы являются первым и вторым выходами реле соответственно, мажоритарный элемент, причем третий вход последнего замкнут на его выход, являющийся третьим выходным реле, первый и второй попарно подключены к выходам упомянутых компараторов, информационные входы амплитудных детекторов и вход формирователя установочных сигналов объединены и подключены к выходу преобразователя тока, установочный вход первого амплитудного детектора подключен к первому выходу упомянутого формирователя, первый вход второго компаратора подключен к выходу вычитателя, отличающееся тем, что формирователь установочных сигналов выполнен из управляемого генератора прямоугольных импульсов, вход которого является входом этого формирователя, двух формирователей импульсов по входу и срезу соответственно и двух включенных последовательно элементов задержки, вход первого из которых подключен к выходу управляемого генератора, выход второго связан с объединенными входами формирователей импульсов по фронту и срезу, выходы которых и выход управляемого генератора и первого элемента задержки соответственно служат первым и дополнительно введенными вторым, третьим и четвертым выходами формирователя установочных сигналов, второй амплитудный детектор выполнен положительной полярности с инверсным информационным входом, его установочный вход подключен к второму выходу формирователя установочных сигналов, дополнительно введены двухканальный аналоговый ключ с прямыми и инверсными входами и выходами по каждому каналу и раздельными установочными входами и второй мажоритарный элемент, первый и второй входы которого выполнены инверсными, причем эти входы попарно соединены с одноименными входами первого мажоритарного элемента, а третий вход второго элемента замкнут на его выход, являющийся дополнительным четвертым выходом реле, прямые входы каналов аналогового ключа подключены к выходу второго амплитудного детектора, инверсные входы этих каналов подключены к выходу первого амплитудного детектора, установочные входы первого и второго каналов упомянутого ключа подключены к четвертому и третьему выходам блока установочных сигналов соответственно, прямой и инверсный выходы первого канала аналогового ключа объединены по его первому выходу, который связан также с дополнительно введенным пятым выходом реле и подключен к первым входам вычитателя и первого компаратора, прямой и инверсный выходы второго канала аналогового ключа объединены по его второму выходу, подключенному к второму входу вычитателя, выход которого служит дополнительным шестым выходом реле.