УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ И ЗАЩИТЫ ОТ ОПАСНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЙ В ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ Российский патент 1999 года по МПК H02H3/26 

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам для контроля и защиты от опасных изменений напряжений в трехфазной сети в результате аварийной посадки напряжений ниже допустимых значений, замыкания на землю, разрыва фазы и т.п., и может быть использовано в сетях напряжением как выше, так и ниже 1000 В.

Известны устройства для контроля за изменениями напряжений в сетях выше 1000 В. В них измерительными органами служат вольтметры, которые получают входные величины от вторичных обмоток трансформаторов напряжения (TV). В этих устройствах TV служат первичными измерительными преобразователями напряжений. Обмотки высшего напряжения TV своими началами присоединяются к фазам контролируемой сети, а концами - к земле, обмотки низшего напряжения соединяются в звезду и заземляются. Вольтметры, присоединяемые к вторичным обмоткам - обмоткам низшего напряжения TV, включаются на междуфазные и фазные напряжения и контролируют изменение линейных напряжений и напряжений фаз относительно земли (л. 1: Федосеев А.М. Релейная защита электроэнергетических систем. Релейная защита сетей. - М.: Энергоатомиздат, 1984, с.347 - 350, рис.9.5 а,б: л.2: Цапенко Е.Ф. и др. Шахтные кабели и электробезопасность сетей. - М.: Недра, 1988, с. 198-200).

Недостатками известных устройств являются: невозможность однозначного распознавания характера аварии в контролируемой сети, невозможность подачи сигнала, использование в качестве первичного измерительного преобразователя напряжения дорогостоящего TV, большая аварийность TV, наличие трансформаторного масла в TV, большие массогабаритные параметры и т.п.

Наиболее близкими к предлагаемому по технической сущности и достигаемым результатам являются применяемые в настоящее время в релейной технике устройства - фильтры симметричных составляющих: фильтры напряжения обратной последовательности, фильтры напряжений прямой последовательности и фильтры напряжения нулевой последовательности. Первые два из них представляют собой вторичные пассивные двухплечие активно-емкостные фильтры, подключаемые к контролируемой сети через трехфазные трансформаторы напряжения (Л.1: с.353.. .355: Л.3:Андреев В.А. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. М.: ВШ, 1991 с.40...43-58). Для получения напряжения нулевой последовательности применяют вторичные фильтры, выполняемые из активных или емкостных асимметров, подключаемых к контролируемой сети через трехфазные TV. При этом их первичные обмотки соединяются в звезду, нейтраль которой заземляется, а вторичные обмотки соединяются в разомкнутый треугольник, к которому подключается исполнительный орган (Л.1.: с. 350-351, рис. 9.10, 9.9: Л.2: с.198-200).

К недостаткам прототипных устройств применяемых для получения составляющих обратной, прямой и нулевой последовательности напряжений, следует отнести то, что использование TV как первичного измерительного преобразователя напряжений приводит к усложнению, удорожанию и увеличению габаритов установки. Кроме того, TV с заземленной первичной обмоткой при замыканиях на землю в контролируемой сети часто выходят из строя в результате выгорания первичной обмотки. Причинами ". ..являются феррорезонансные явления, вследствие которых через обмотки высшего напряжения трансформатора проходят токи, многократно превышающие номинальные значения" (Л.3: с. 44)
Задачей изобретения является уменьшение массогабаритных показателей, упрощение схемы, конструкции, повышение надежности, безопасности и снижение аварийности устройства для контроля и защиты от опасных изменений напряжений в трехфазной сети.

Поставленная задача решается усовершенствованием устройства для контроля и защиты от опасных изменений напряжений в трехфазной сети, содержащее первичный измерительный преобразователь напряжений, фильтры обратной, прямой и нулевой последовательности, индикаторы фазных напряжений и напряжения нулевой последовательности.

Новые качества устройству придает то, что первичный измерительный преобразователь напряжений образован из трехлучевого симметричного асимметра, каждый луч которого выполнен из последовательно соединенных фазной катушки, металлической трубки, покрытой внутри и снаружи диэлектриком, газоразрядной лампочки и резистора, фазные катушки каждого луча, выполненные из изолированного гибкого многожильного провода, охватывают участки изолированного провода соответствующих фаз контролируемой трехфазной сети и электроизолированы от них, регулирование чувствительности и отстройка от небаланса первичного измерительного преобразователя напряжений производится изменением числа витков фазных катушек.

Три входных ввода двухплечного активно-емкостного фильтра напряжения обратной последовательности подключены через разъем соответственно к трем трубкам первичного измерительного преобразователя напряжений, каждый из двух выводных зажимов фильтра напряжения обратной последовательности подключен к своим конечным металлическим трубкам, покрытым внутри и снаружи диэлектриком, на последние коаксиально надеты и электроизолированы от них две металлические, покрытые внутри и снаружи диэлектриком трубки исполнительного органа, регулирование чувствительности и отстройка от небаланса напряжений производится перемещением коаксиально надетых трубок вдоль оси.

На каждую из трех трубок первичного измерительного преобразователя напряжений коаксиально надеты три металлические, покрытые внутри и снаружи диэлектриком, электроизолированные от них трубки, к концам последних подключены через разъем три входных ввода двухплечного активно-емкостного фильтра напряжения прямой последовательности, а два выводных его зажима подключены к входу своего исполнительного органа, регулирование чувствительности и отстройка от небаланса напряжений производится перемещением коаксиально надетых трубок вдоль оси.

В каждую из трех трубок первичного измерительного преобразователя напряжений коаксиально вставлены внутрь и электроизолированы от них соответственно три металлических, покрытых диэлектриком трубчатых стержня Ш-образного металлического датчика фильтра напряжения нулевой последовательности. Последний с помощью первого нулевого проводника через последовательно соединенные нормально замкнутый контакт реле исполнительного органа фильтра напряжения обратной последовательности и разъем подключен к первому вводу своего исполнительного органа, второй ввод исполнительного органа через разъем подключен к земле, Ш-образный датчик с помощью второго нулевого проводника через последовательно соединенные разъем, газоразрядную лампочку, резистор и нормально замкнутый контакт реле исполнительного органа фильтра напряжения обратной последовательности подключен к земле.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено предлагаемое устройство.

Устройство содержит первичный измерительный преобразователь напряжений ПИПН, фильтр напряжения обратной последовательности ФНОП, фильтр напряжения прямой последовательности ФНПП, фильтр напряжения нулевой последовательности ФННП, индикаторы HL_A, HL_B, HL_C наличия напряжений в фазах сети, индикатор HL₀ напряжения нулевой последовательности.

ПИПН образован из трехлучевого симметричного асимметра с заземленной через кнопку SB_з нейтральной точкой N. Лучи асимметра выполнены из последовательно соединенных между собой фазных катушей L_A, L_B, L_C, металлических трубок BV_A, BV_B, BV_C, покрытых внутри и снаружи диэлектриком, разъемов XP_a, XP_b, XP_c, индикаторных лампочек HL_a, HL_b, HL_c и резисторов R_a, R_b, R_c.

Фазные катушки L_A, L_B, L_C каждого луча асимметра охватывают отдельные участки изолированных проводов соответствующих фаз А, В, С, контролируемой трехфазной сети и электроизолированы от них.

Регулирование чувствительности ПИНП и отстройка от небаланса напряжений производится изменением числа витков фазных катушек L_a, L_b, L_c и резисторов R_a, R_b, R_c.

Три входных ввода a₂, b₂, c₂ ФНОП подключены соответственно через разъем ХР₂ к трем трубкам BV_A, BV_B, BV_C ПИПН. Каждый из двух выводных зажимов m₂ и n₂ ФНОП подключены к своим металлическим трубкам BV_m2, BV_n2, покрытым внутри и снаружи диэлектриком. На последние коаксиально надеты и электроизолированы от них две металлические трубки BV_m21, BV_n21, покрытые внутри и снаружи диэлектриком. Выводы этих трубок подключены к исполнительному органу ИО_u2.

Регулирование чувствительности ФНОП и отстройка от небаланса напряжений производится перемещением коаксиальных трубок вдоль оси.

На каждую из трех трубок BV_A, BV_b, BV_c ПИПН коаксиально надеты соответственно три металлические электроизолированные от них трубки BV_a, BV_b, BV_c, покрытые внутри и снаружи диэлектриком. К концам последних черех разъем ХР₁ подключены три входных ввода a₁, b₁, c₁ ФНПП, а два выводных зажима m₁, n₁ ФНПП подключены к входу своего исполнительного органа ИО_u1.

Регулирование чувствительности ФНПП и отстройка от небаланса напряжений производится перемещением коаксиальных трубок вдоль оси.

В каждую из трех трубок BV_A, BV_B, BV_C ПИПН коаксиально вставлены внутрь и электроизолированы от них соответственно три металлических, покрытых диэлектриком трубчатых стержня BV_aо, BV_bо, BV_cо Ш- образного металлического датчика ФННП. Последний с помощью первого нулевого проводника О₁ через последовательно соединенные нормально замкнутый контакт К21 реле исполнительного органа ФНОП и разъем ХР_о подключен к первому вводу n_о своего исполнительного органа ИО_Uо, второй ввод исполнительного органа m_о подключен через разъем ХР_оз к земле, Ш-образный датчик ФННП с помощью второго нулевого проводника О₂ через последовательно соединенные разъем ХР_оз, газоразрядную лампочку HL_о, резистор R_оз и нормально замкнутый контакт К22 реле исполнительного органа ФНОП подключен к земле.

Устройство работает следующим образом.

При включении разъема ХР₂ ФНОП электрические контуры, образованные элементами цепи:
фаза А сети - L_A-a-BV_A-a₂-c₁₂-m₂-R₁₂-b₂-BV_b-b-L_b - фаза В сети и
фаза В сети - L_b-b-BV_b-b₂-c₂₂-n₂-R₂₂-c₂-BV_c-c-L_c-фаза С сети окажутся соответственно под действием междуфазных линейных напряжений.

(1)
Под действием этих напряжений изоляция между участками проводов линий контролируемой сети, охваченных фазными катушками L_A, L_B, L_C, поляризуется, образуя переменные токи электрического смещения. На границе между изоляцией и металлическими проводами витков фазных катушек токи смещения переходят в токи проводимости и, проходя через активно-емкостные плечи ФНОП, на его выходных зажимах m₂ и n₂ создают разность потенциалов. В плечах ФНОП между вводными режимами a₂, b₂, c₂ установлены резисторы R₁₂, R₂₂ и конденсаторы С₁₂, С₂₂, величины сопротивлений которых подобраны таким образом, что отношения их удовлетворяют условию (Л.1: с.355, Л.3: с. 58):
, (2)
где X_c12 и X_c22 - сопротивления конденсаторов С₁₂ и С₂₂. Поэтому при симметрии междуфазных напряжений в контролируемой сети, т.е. при подведении к ФНОП системы напряжений прямой последовательности падение напряжения U_R12 на резисторе R₁₂ и U_c22 на кондесаторе C₂₂ оказываются равными по величине и сдвинутыми по фазе на 180^o. В результате чего напряжение между выводными зажимами фильтра m₂ и n₂ равно нулю
(3)
При появлении в контролируемой сети напряжения обратной последовательности U₂, например в результате разрыва фазы, на выводных зажимах m₂ и n₂ напряжение U_m2n2 станет равным (Л.1: с.355,Л.3: с.58):
U_m2n2 = m_xU₂, (4)
где m_x - коэфициент пропорциональности.

При этом трубки BV_m2-BV_m21 и BV_n2-BV_n21 ФНОП соответственно заряжаются и разряжаются и на входе исполнительного органа ИО_U2 возникает сигнал, который после усиления приводит к срабатыванию реле исполнительного органа ФНОП. В результате дается сигнал об аварии в сети из-за разрыва фазы. При этом нормально замкнутые контакты реле ИО_U2 К21 и К22, установленные в цепи первого 0₁ и второго 0₂ нулевого проводников Ш-образного датчика ФННП размыкаются и ФННП не реагирует на эту аварию. На напряжения прямой и нулевой последовательности ФНОП не реагирует (Л.1: с. 354).

2. При включении разъема ХР₁ ФНПП электрические контуры, образованные элементами цепи:
фаза А сети -L_A-a-BV_A-BV_a-a₁-R₁₁-m₁-c₁₁-b₁-BV_d-BV_b-b-L_b-фаза В сети и
фаза В сети -L_b-b-BV_b-BV_b-b₁-R₂₁-n₁-c₂₁-c₁-BV_c-BV_c-c-L_c-фаза С сети, окажутся соответственно под действием линейных напряжений.

(5)
Под действием этих напряжений аналогично рассмотренному в п.1 в фазных катушках L_A, L_B, L_C переменные токи электрического смещения переходят в токи проводимости и, заряжая и разряжая трубки BV_A-BV_a, BV_B-BV_b, BV_C-BV_c,проходят через активно-емкостные плечи ФНПП. В результате на его выходных зажимах m₁ и n₁ создают разность потенциалов. В плечах ФНПП между вводными зажимами a₁, b₁, c₁ установлены резисторы R₁₁, R₂₁ и конденсаторы C₁₁, C₂₁, величины сопротивлений которых подобраны таким образом, что отношения их удовлетворяют условию (Л.4: Алексеев В.С. и др. Реле защиты. М.: "Энергия", 1976 с. 307...311):
(6)
где Х₁₁ и Х₂₁ - сопротивления конденсаторов С₁₁ и С₂₁.

Вследствие того что в отличие от ФНОП в ФНПП в левом и правом плечах заменены местами резисторы и конденсаторы и приняты обратные соотношения в (6) по сравнению с (2), при появлении в контролируемой сети напряжени обратной последовательности U₂ на выводных зажимах m₁ и n₁ ФНПП разность потенциалов U_m1n1 будет равна нулю
(7)
При симметрии междуфазных напряжений контролируемой сети между выводными зажимами m₁ и n₁ ФНПП будет действовать сигнал-напряжение U_m1n1, пропорциональное системе линейных напряжений прямой последовательности U_1л (Л.4: с. 309) контролируемой сети.

U_m1n1 - m_xU_1л, (8)
где m_x - коэфициент пропорциональности.

Напряжение U_m1n1 на входе исполнительного органа ИО_U1 является полезным сигналом, который после усиления приводит к срабатыванию реле ИО_U1.

3. При включении разъемов ХР_o и XP_о2 каждый из фазных катушек L_A, L_B, L_C ПИПН окажется связанным соответственно через трубки BV_A, BV_B, BV_C, Ш- образный датчик, первый нулевой проводник О₁ и исполнительный орган ИО_U0 ФНПП с землей. В результате периодического заряда-разряда трубок BV_A, BV_B, BV_C и стержней Ш- образного датчика под действием напряжений фаз А, В, С контролируемой сети относительно земли через каждый стержень Ш- образного датчика проходят токи, пропорциональные соответствующим напряжениям фаз относительно земли. При симметрии фазных напряжений относительно земли токи в стержнях также симметричны, поэтому геометрическая их сумма у основания Ш- образного датчика равна нулю и на вход исполнительного органа ИО_U0 ФННП по первому нулевому проводнику О₁ не поступает сигнал. При замыкании на землю в контролируемой сети возникает напряжение нулевой последовательности U₀, симметрия фазных напряжений относительно земли нарушается, геометрическая сумма токов в Ш- образном датчике становится не равной нулю. В результате по первому нулевому проводнику О₁ на вход n_о-m_о исполнительного органа ИО_U0 ФННП поступает электрический импульс, который после усиления приводит к срабатыванию реле ИО_U0 ФННП и подачи сигнала о замыкании на землю.

Если включен разъем ХР₂ второго нулевого проводника О₂, то при появлении в контролируемой сети замыкания на землю ток, стекая с Ш- образного датчика по второму нулевому проводнику О₂, вызывает свечение индикаторной лампочки HL_o.

ФННП не реагирует на аварии из-за разрыва фазы в сети, так как при этой аварии срабатывает ИО_U2 ФНОП и размыкает с помощью своих нормально замкнутых контактов К21 и К22 цепи первого О₁ и второго О₂ нулевых проводов.

4. При включении разъемов ХР_A, ХР_B, ХР_C и нажатии кнопки SB_з все три луча асимметра ПИПН оказываются подключенными между фазами А, В, С сети и землей соответственно через элементы цепи:
фаза А сети - L_A-a-BV_A-HL_A-R_a-SB_з-з(земля)
фаза В сети - L_B-b-BV_B-HL_B-R_b-SB_з-з(земля)
фаза С сети - L_C-c-BV_C-HL_C-R_c-SB_з-з(земля)
Под воздействием напряжений фаз сети U_A3, U_B3, U_C3 относительно земли в фазных катушках L_A, L_B, L_C ПИПН переменные токи электрического смещения переходят в переменные токи проводимости и, стекая через индикаторные лампочки на землю, вызывают их свечение. Если в контролируемой сети нет аварий и напряжения фаз относительно земли симметричны, то лампочки излучают свет одинаковой яркости. В случае замыкания какой-либо фазы сети на землю или разрыва фазы гаснет лампочка поврежденной фазы.

Таким образом, индикаторные лампочки позволяют обнаружить поврежденную фазу.

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам для контроля и защиты от опасных изменений напряжения в трехфазной сети в результате аварийной посадки напряжений ниже допустимых значений, замыкания на землю, разрыва фазы и т.п. и может быть использовано в сетях с напряжением как выше, так и ниже 1000 В. Изобретение направлено на уменьшение массогабаритных показателей, упрощение схемы, конструкции, повышение надежности, безопасности и снижение аварийности устройства для контроля и защиты от опасных изменений напряжений в трехфазной сети. Устройство для контроля и защиты от опасных изменений напряжений в трехфазной сети содержит первичный измерительный преобразователь напряжений, фильтры обратной, прямой и нулевой последовательности, индикаторы фазных напряжений и напряжения нулевой последовательности. Отличие состоит в том, что с целью упрощения, снижения массогабаритных параметров, повышения надежности и безопасности первичный измерительный преобразователь напряжений образован из трехлучевого симметричного асимметра, каждый луч которого выполнен из последовательно соединенных фазной катушки, металлической трубки, покрытой внутри и снаружи диэлектриком, газоразрядной лампочки и резистора, фазные катушки каждого луча, выполненные из изолированного гибкого многожильного провода, охватывают участки изолированного провода соответствующих фаз контролируемой трехфазной сети и электроизолированы от них, регулирование чувствительности и отстройка от небаланса первичного измерительного преобразователя напряжении производится изменением числа витков фазных катушек. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для контроля и защиты от опасных изменений напряжений в трехфазной сети, содержащее первичный измерительный преобразователь напряжений, фильтры обратной и прямой последовательностей на двухплечных активно-емкостных элементах и фильтр нулевой последовательности, отличающееся тем, что первичный измерительный преобразователь напряжений образован из трехлучевого симметричного асимметра, каждый луч которого выполнен из последовательно соединенных фазной катушки, металлической трубки, покрытой внутри и снаружи диэлектриком, газоразрядной лампочки и резистора, фазные катушки каждого луча выполнены из изолированного гибкого многожильного провода и охватывают участки изолированного провода соответствующих фаз контролируемой трехфазной сети и электроизолированы от них,
регулирование чувствительности и отстройка от небаланса первичного измерительного преобразователя напряжений производится изменением числа витков фазных катушек, три входных ввода фильтра обратной последовательности подключены через соответствующие разъема соответственно к трем трубкам первичного измерительного преобразователя напряжений, каждый из двух выводных зажимов фильтра обратной последовательности подключен к своим конечным металлическим трубкам, покрытым внутри и снаружи диэлектриком, на последние коаксиально одеты и электроизолированы от них две металлические, покрытые внутри и снаружи диэлектриком, трубки исполнительного органа, регулирование чувствительности и отстройка от небаланса напряжений производится перемещением трубок исполнительного органа вдоль оси. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что на каждую из трех трубок первичного измерительного преобразователя напряжений коаксиально одеты соответственно три другие металлические, покрытые внутри и снаружи диэлектриком, электроизолированные от них трубки, к концам последних подключены через соответствующие разъемы три входных ввода фильтра прямой последовательности, а два выводных его зажима подключены к входу своего исполнительного органа, регулирование чувствительности и отстройка от небаланса напряжений производится перемещением коаксиально одетых на трубки первичного измерительного преобразователя напряжений трубок вдоль оси. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в каждую из трех трубок первичного измерительного преобразователя напряжений коаксиально вставлены внутрь и электроизолированы от них соответственно три металлических, покрытых диэлектриком трубчатых стержня Ш-образного металлического датчика фильтра нулевой последовательности, последний с помощью первого нулевого проводника через последовательно соединенные нормально замкнутый контакт реле исполнительного органа фильтра обратной последовательности и соответствующий разъем подключен к первому вводу своего исполнительного органа, второй ввод исполнительного органа через соответствующий разъем подключен к земле, Ш-образный датчик с помощью второго нулевого проводника через последовательно соединенные соответствующий разъем, газоразрядную лампочку, резистор и нормально замкнутый контакт реле исполнительного органа фильтра обратной последовательности подключен к земле.