УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЖДЕННОЙ ФАЗЫ НА ЗЕМЛЮ В ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Российский патент 2000 года по МПК H02H3/16 G01R31/08 

Изобретение относится к области электротехники, в частности электробезопасности, и предназначено для защиты от поражения электрическим током и других опасных последствий утечек тока на землю путем определения и последующего защитного шунтирования поврежденной фазы сети на землю. Изобретение рассчитано, прежде всего, для применения в подземных трехфазных электрических сетях с изолированной нейтралью напряжением до 1140 В.

В известных устройствах определения поврежденной фазы на землю используются как фазовые, так и амплитудные параметры колебательных сигналов. Использование фазовых параметров обеспечивает более высокую точность обработки сигналов, так как полезная информация извлекается относительно их нулевых переходов, что предотвращает появление ошибок распознавания малых изменений амплитудных параметров за ограниченное время из условий электробезопасности.

Известно устройство для определения поврежденной фазы сети, содержащее датчик напряжения нулевой последовательности, датчик линейного напряжения, датчик разности фаз между напряжением нулевой последовательности и линейным напряжением, пороговый разделитель сигналов, реализующий функции задания для каждой фазы сети опорного фазового промежутка величиной 90^o и определения поврежденной фазы сети - фиксации фазы сети как поврежденной по обнаружению соответствия одному из опорных фазовых промежутков начальной фазы напряжения нулевой последовательности (упомянутой разности фаз) [1].

Устройство обладает низкой чувствительностью к утечкам из-за ограничения опорных фазовых промежутков величиной 90^o. Реальная величина области изменения начальной фазы напряжения нулевой последовательности при однофазных опасных утечках в сети может превышать 90^o под влиянием естественной несимметрии сопротивлений изоляции в фазах сети. Особенно это проявляется при высокоомных утечках - утечках с сопротивлением, близким к несимметричному сопротивлению изоляции. В результате выхода значения указанной начальной фазы за пределы опорного фазового промежутка поврежденная фаза сети не фиксируется. Для повышения чувствительности к утечкам требуется расширение опорных фазовых промежутков. Другим недостатком устройства является необходимость соблюдения порядка чередования фаз при подключении к сети, так как все три опорных фазовых промежутка отсчитываются относительно одного линейного напряжения.

Наиболее близкое к предлагаемому устройство для определения поврежденной фазы на землю в трехфазной сети с изолированной нейтралью содержит в себе датчик напряжения нулевой последовательности (в виде фильтра напряжения нулевой последовательности, образованного первичными обмотками трехфазного трансформатора, соединенными звездой и подключенными к фазам сети), фильтр промышленной частоты (в виде блока измерения напряжения нулевой последовательности, выделяющего составляющую промышленной частоты), блок контроля увеличения напряжения (в виде последовательно соединенных амплитудного селектора и элемента задержки), формирователь тактовых импульсов (преобразующий напряжение нулевой последовательности промышленной частоты в короткие импульсы) и для каждом фазы сети датчик питающего фазного напряжения (в виде вторичной обмотки трехфазного трансформатора), формирователь опорных импульсов (преобразующий питающее фазное напряжение в импульсы, названные в оригинале информационными, с длительностью, соответствующей фазовому промежутку до 120^o за вычетом фазового промежутка тактового импульса), D-триггер и логический элемент И, причем выход датчика напряжения нулевой последовательности соединен со входом фильтра промышленной частоты, выход которого соединен со входом блока контроля увеличения напряжения и входом формирователя тактовых импульсов, а для каждой фазы сети выход датчика питающего фазного напряжения соединен через формирователь опорных импульсов с информационным входом D-триггера, тактовый вход D-триггера соединен с выходом формирователя тактовых импульсов, а выход - с первым входом логического элемента И, у которого второй вход соединен с выходом блока контроля увеличения напряжения, а выход - с исполнительным органом [2].

В данном устройстве соответствие опорному фазовому промежутку начальной фазы напряжения нулевой последовательности промышленной частоты контролируется с помощью D-триггера, запоминающего значение опорного импульса при совпадении во времени с тактовым импульсом. Отсчет опорных фазовых промежутков производится относительно питающих фазных напряжений индивидуально для каждой фазы сети. Вследствие этого результат определения поврежденной фазы вырабатывается автономно для каждой фазы сети и не зависит от порядка чередования фаз сети. Величина опорного фазового промежутка в сумме с тактовым может быть назначена любой, но не более 120^o - границы однозначного определения повременной фазы в трехфазной сети. При суммарной величине, близкой к 120^o, снимается ограничение по чувствительности к опасным утечкам на землю, что необходимо для выполнения требований электробезопасности. Однако с повышением чувствительности снижается надежность устройства ввиду ухудшения устойчивости против ошибочного определения поврежденной фазы при высокоомных опасных утечках. В результате последующего шунтирования "здоровой" фазы сети на землю ухудшаются условия электробезопасности. Ухудшение данной устойчивости обусловлено вынужденно малой величиной задержки, вносимой блоком контроля увеличения напряжения. По его выходному сигналу - сигналу о появлении опасной утечки на землю фиксируется поврежденная фаза сети. Таким образом, задержка срабатывания блока контроля увеличения напряжения является в устройстве главным средством обеспечения устойчивости. Величина задержки ограничивается условиями электробезопасности и рассчитывается на основе допустимого времени существования в сети (до защитного шунтирования) тока через человека (с минимальным сопротивлением) за вычетом времени срабатывания исполнительных устройств. Для сетей напряжением 1140 В величина задержки может быть допущена до двух периодов колебаний промышленной частоты. При более высоком напряжении сети задержка, разумеется, должна быть меньше. Появление высокоомных однофазных опасных утечек может сопровождаться переходным процессом с длительностью, превышающей указанную величину задержки. Такой переходный процесс в совокупности с другими помехами непромышленной частоты может "уводить" тактовый импульс за границы опорного импульса, относящегося к поврежденной фазе сети. Вследствие этого соседняя фаза сети ошибочно определяется как поврежденная. Повышение надежности работы устройства возможно путем проверки результата определения поврежденной фазы на достоверность. Однако простое дублирование результата с целью такой проверки неприемлемо из-за дополнительных затрат времени, не допустимых при определении поврежденной фазы сети с низкоомной, наиболее опасной утечкой на землю.

В основу изобретения поставлена задача повышения надежности работы устройства определения поврежденной фазы на землю в трехфазной сети с изолированной нейтралью путем проверки на достоверность результата определения поврежденной фазы без дополнительных затрат времени за счет увеличения частоты получения результата с одного до двух раз за полное колебание напряжения нулевой последовательности. Использование изобретения обеспечит устойчивость против ошибочного определения поврежденной фазы сети без потери быстродействия при наиболее опасных утечках на землю.

С этой целью в устройство для определения поврежденной фазы на землю в сети с изолированной нейтралью, содержащее датчик напряжения нулевой последовательности, фильтр промышленной частоты, блок контроля увеличения напряжения, формирователь тактовых импульсов и для каждой фазы сети датчик питающего фазного напряжения, формирователь опорных импульсов, D-триггер и логический элемент И, причем выход датчика напряжения нулевой последовательности соединен со входом фильтра промышленной частоты, выход которого соединен со входом блока контроля увеличения напряжения и входом формирователя тактовых импульсов, а для каждой фазы сети выход датчика питающего фазного напряжения соединен через формирователь опорных импульсов с информационным входом D-триггера, тактовый вход D-триггера соединен с выходом формирователя тактовых импульсов, а выход - с первым входом логического элемента И, у которого выход соединен с исполнительным органом, дополнительно введены формирователь смещенных на 180^o тактовых импульсов, а для каждой фазы сети формирователь смещенных на 180^o опорных импульсов и второй D-триггер, причем все D-триггеры выполнены синхронными и со входом сброса, выход блока контроля увеличения напряжения соединен со входами сброса всех D-триггеров, выход блока контроля увеличения напряжения или вход сброса у всех D-триггеров выполнен инверсным, вход формирователя смещенных на 180^o тактовых импульсов соединен с выходом фильтра промышленной частоты или выходом формирователя тактовых импульсов, а для каждом фазы сети выход датчика питающего фазного напряжения соединен через формирователь смещенных на 180^o опорных импульсов с информационным входом второго D-триггера, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя смещенных на 180^o тактовых импульсов, а выход - со вторым входом логического элемента И.

Указанные отличительные существенные признаки достаточны во всех случаях, на которые распространяется объем правовой охраны изобретения. Ниже приводятся отличительные признаки, характеризующие изобретение в частном случае.

Предлагается вариант реализации формирователя тактовых импульсов в виде нуль-компаратора, а формирователя смещенных на 180^o тактовых импульсов в виде логического элемента НЕ, вход которого соединен с выходом нуль-компаратора.

Новое техническое свойство изобретения достигается следующим образом. Введенные в устройство новые (отличительные) признаки: формирователь смещенных на 180^o тактовых импульсов и для каждой фазы сети формирователь смещенных на 180^o опорных импульсов и второй D-триггер во взаимосвязи обеспечивают получение второго (дополнительного) результата определения поврежденной фазы сети. Получение первого результата обеспечивают известные признаки устройства. Чередование обоих результатов во времени имеет случайный характер. Оба результата обновляются один раз за полное колебание напряжения нулевой последовательности, но с относительным смещением на 180^o, соответствующим половине полного колебания. В итоге обеспечивается получение результата определения поврежденной фазы дважды за полное колебание напряжения нулевой последовательности. Логический элемент И для каждой фазы сети формирует конечный результат определения поврежденной фазы с проверкой на достоверность - по совпадению активных состояний первого и второго D-триггеров (первого и второго результатов определения поврежденной фазы). При этом затраты времени на определение поврежденной фазы остаются такими же, как в случае определения поврежденной фазы без проверки результата на достоверность. Появление в сети опасной утечки на землю является командой, указывающей на необходимость определения поврежденной фазы, и для устройства соответствует разрешению работы D-триггеров. С этой целью используются входы сброса D-триггеров, на которые разрешающий сигнал поступает с выхода блока контроля увеличения напряжения. За счет проверки достоверности достигается устойчивость против ошибочного определения поврежденной фазы, что повышает надежность работы устройства.

Назначение отличительных признаков, характеризующих изобретение в частном случае, заключается в следующем.

Реализация D-триггеров синхронными делает возможным простую реализацию формирователей тактовых импульсов и смещенных на 180^o тактовых импульсов соответственно в виде нуль-компаратора и логического элемента НЕ, что также повышает надежность устройства. При этом используется свойство переключения синхронного D-триггера по фронту сигнала на тактовом входе.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства, на фиг. 2 - временная диаграмма, поясняющая работу устройства для случая повреждения в сети фазы A.

Функциональная схема устройства содержит датчик напряжения нулевой последовательности 1, датчики питающих фазных напряжений 2, фильтр промышленной частоты 3, формирователь тактовых импульсов 4, формирователь смещенных на 180^o тактовых импульсов 5, блок контроля увеличения напряжения 6 и далее по числу фаз сети формирователи опорных импульсов 7, формирователи смещенных на 180^o опорных импульсов 8, первые и вторые синхронные D-триггеры 9 и 10, а также логические элементы И 11. На схеме также показаны:
A, B, C - фазы сети;
U₀ - напряжение нулевой последовательности;
u₀ - выходной сигнал фильтра 3, пропорциональный напряжению U₀ промышленной частоты;
u_A, u_B, u_C - выходные сигналы датчиков 2, пропорциональные питающим фазным напряжениям сети;
a₁, b₁, c₁ - первые опорные импульсы на выходах формирователей 7 для фаз A, B, C;
a₂, b₂, c₂ - вторые, смещенные на 180^o опорные импульсы на выходах формирователей 8 для фаз A, B, C;
z₁, z₂ - первые тактовые импульсы и вторые, смещенные на 180^o тактовые импульсы на выходах формирователя 4 и 5 соответственно;
r - сигнал с инверсного выхода блока контроля увеличения напряжения 6 (сигнал сброса D-триггеров в ноль);
Q₁ ^A, Q₂ ^A - выходные сигналы первого и второго D-триггеров 9 и 10 в поврежденной фазе A.

На временной диаграмме дополнительно показаны:
T - период колебаний промышленной частоты;
τ - временной сдвиг первых опорных импульсов a₁, b₁, c₁ относительно нулевых переходов сигналов u_A, u_B, u_C;
τ_o - время замедления фильтра промышленной частоты 3;
Δt - время запаздывания конечного результата определения поврежденной фазы относительно момента появления сигнала о появлении опасной утечки на землю;
t - время.

Работа устройства заключается в следующем.

По сигналам u_A, u_B и u_C с выходов датчиков 2 питающих фазных напряжений сети (выполненных, например, в виде вторичных обмоток трехфазного трансформатора, первичные обмотки которого соединены звездою и подключены к фазам сети) формирователи 7 (фиг. 1) вырабатывают первые опорные импульсы a₁, b₁, c₁ заданной длительности, равной трети периода T и соответствующей величине 120^o опорного фазового промежутка. Первые опорные импульсы (фазовые промежутки) a₁, b₁, c₁ смещены (фиг. 2) относительно нулевых переходов сигналов u_A, u_B, u_C от отрицательных значений к положительным на некоторый фиксированный интервал τ (фазовый сдвиг ωτ, , где ω - круговая частота сети), обусловленный реализацией формирователей 7. Так, в случае реализации формирователей 7 в виде компараторов, срабатывающих при превышении мгновенных значений входных сигналов над порогом, равным половине максимального значения этих сигналов, интервал τ составляет T/12 (фазовый сдвиг ωτ = 30^o). Данный случай соответствует временной диаграмме. При другой реализации, например в виде одновибраторов, интервал τ может составлять любое фиксированное значение в пределах периода.

Формирователи 8 вырабатывают из сигналов u_A, u_B, u_C вторые опорные импульсы a₂, b₂, c₂, смещенные относительно первых опорных импульсов a₁, b₁, c₁ на полупериод T/2 (180^o). Формирователи 8 могут быть реализованы, например, в виде компараторов, срабатывающих при снижении мгновенных значений входных сигналов ниже порога, равного половине минимального значения этих сигналов (как показано на временной диаграмме).

Повреждение изоляции в сети в виде утечки в фазе A вызывает появление напряжения U₀ нулевой последовательности. Это напряжение выделяется датчиком 1, выполненным, например, в виде фильтра напряжения нулевой последовательности, образованного первичными обмотками трехфазного трансформатора. В общем случае напряжение U₀ содержит в себе полезную (информационную) составляющую промышленной частоты и помеху - составляющие непромышленной частоты, например, создаваемые работой устройства контроля активного сопротивления изоляции сети. Промышленная составляющая напряжения U₀ сдвинута относительно сигнала u_A на фазовый угол, определяемый передаточными свойствами контура нулевой последовательности сети. На фиг. 2 штрихпунктиром показаны колебания U₀ промышленной частоты для граничных значений фазового сдвига при отсутствии утечек в соседних фазах сети: - 90^o и 0^o. Фильтр 3 выделяет полезный сигнал u₀, пропорциональный напряжению U₀ промышленной частоты, и одновременно замедляет его на время τ_o для приведения в соответствие среднего значения начальной фазы сигнала u₀ середине опорного фазового промежутка, относящегося к фазе A. Данное замедление нейтрализует фиксированный сдвиг τ, вносимый формирователями 7 и 8, и правильно ориентирует нулевые переходы сигнала u₀ относительно опорных импульсов. Далее из сигнала u₀ формируются первые тактовые импульсы z₁ и смещенные от них на 180^o вторые тактовые импульсы z₂ соответственно формирователем 4 и 5. Показанные на временной диаграмме тактовые импульсы в виде меандра соответствуют варианту простой реализации формирователей 4 и 5 в виде нуль-компаратора и логического элемента НЕ соответственно. Формирователи 4 и 5 могут также вырабатывать тактовые импульсы в виде, отличающемся от меандра. При этом для реализации формирователя 5 может оказаться более удобным подключение его входа к выходу фильтра 3 (на схеме эта связь показана пунктиром).

Поврежденная фаза сети определяется по совпадению двух результатов. Один результат определяется для каждой фазы сети по обнаружению соответствия первому опорному фазовому промежутку значения фазового сдвига между питающим фазным напряжением и сигналом u₀, то есть по совпадению во времени первого опорного импульса (одного из импульсов a₁, b₁, c₁) и фронта первого тактового импульса z₁. Другой результат определяется также для каждой фазы сети по обнаружению соответствия второму опорному фазовому промежутку значения фазового сдвига между питающим фазным напряжением и инверсным сигналом u₀, то есть по совпадению во времени второго опорного импульса (одного из импульсов a₂, b₂, c₂) и фронта второго тактового импульса z₂. Указанные совпадения во времени фиксируются соответственно первым и вторым синхронным D-триггером - 9 и 10. Включение в работу всех D-триггеров осуществляется с появлением в сети опасной утечки на землю, распознаваемым блоком 6 по увеличению выходного сигнала u₀ фильтра 3. Для включения D-триггеров использованы входы сброса (R-входы), на которые разрешающий работу логический сигнал r низкого (нулевого) уровня поступает с инверсного выхода блока 6, как показано на схеме устройства (в случае же использования D-триггеров с инверсным входом сброса блок 6 выполняют с неинверсным выходом). В момент прихода сигнала разрешения r = 0 триггеры находятся в нулевом (неактивном) состоянии, характеризуемом низким уровнем выходных сигналов. По положительным перепадам импульсов на тактовых входах (C-входах) триггеров последние принимают состояние, соответствующее значениям опорных импульсов на информационных D-входах. При поврежденной фазе A положительные перепады тактовых импульсов z₁ и z₂ приходятся на время действия опорных импульсов a₁ и a₂ соответственно. По положительным перепадам тактовых импульсов D-триггеры 9 и 10, относящиеся к фазе A, переходят в активное состояние, характеризуемое высоким (единичным) уровнем выходных логических сигналов на выходах: Q₁ ^A = Q₂ ^A = 1. Единичное значение только одного сигнала Q₁ ^A или Q₂ ^A является во времени первым (предварительным) результатом определения поврежденной фазы A. Конечный результат определения поврежденной фазы вырабатывается с появлением единичного значения второго сигнала, повторяющего первый и тем самым подтверждающего его достоверность. Совпадение во времени единичных сигналов Q₁ ^A и Q₂ ^A выявляется соответствующим логическим элементом И 11, выходной сигнал которого управляет работой исполнительного органа, например устройства защитного шунтирования поврежденной фазы на землю.

В последующие такты сигналов z₁ и z₂ единичное состояние указанных D-триггеров будет подтверждаться до устранения повреждения; и появления сигнала сброса r = 1. Триггеры, относящиеся к "здоровым" (неповрежденным) фазам сети, все это время находятся в неактивном состоянии.

Задержка в появлении результата определения поврежденной фазы относительно моментов распознавания появления в сети опасной утечки на землю (перехода сигнала r с высокого уровня к низкому) составляет от половины до полного колебания сигнала u₀ в силу случайности моментов появления выходного сигнала блока 6 и обусловлена задержкой Δt перехода к единичному значению второго, подтверждающего, сигнала. На временной диаграмме с такой задержкой появляется единичное значение сигнала Q₁ ^A. Задержка, равная "длительности полного колебания сигнала u₀, является максимальной для устройства, который определяет поврежденную фазу сети без проверки на достоверность. В сравнении с ним в предлагаемом устройстве за то же время результат определения поврежденной фазы формируется с проверкой на достоверность, обеспечивающей устойчивость против ошибочного определения поврежденной фазы.

За счет проверки на достоверность дополнительно снимаются ограничения по быстродействию блока 6 контроля увеличения напряжения u₀ без риска ошибочного определения поврежденной фазы. При этом задержка срабатывания блока 6 может быть снижена до минимального значения, необходимого главным образом для обеспечения устойчивости против импульсных помех. Кроме того, допускается задержка как фиксированной, так и переменной величины, что расширяет возможности реализации блока 6. Так, в случае контроля увеличения напряжения u₀ по его мгновенному значению удобно использовать в блоке 6 фиксированную задержку срабатывания. В случае же контроля увеличения напряжения u₀ по его измеренному средневыпрямленному или действующему значению задержка срабатывания блока 6 обусловлена инерционностью соответствующего измерителя и представляет собой переменную величину в виде убывающей функции от величины напряжения u₀.

Представленное выше описание работы устройства относится к случаю появления в сети низкоомной, наиболее опасной утечки, сопровождающейся кратковременным переходным процессом установления напряжения U₀, что способствует быстрому определению поврежденной фазы сети.

В случае же появления в сети высокоомной опасной утечки, сопровождающейся длительным переходным процессом установления напряжения U₀, время определения поврежденной фазы сети будет определяться временем затухания переходного процесса до момента наступления достоверного результата. Условия электробезопасности при этом также соблюдаются за счет меньшего значения тока утечки.

Перечень источников
1. А.с. СССР N 1379857, H 02 H 3/16, опубл. в Б.И. 1988, N 9.

2. А.с. СССР N 943959, H 02 H 3/16, опубл. в Б.И. 1982, N 26.

Область применения: аппаратура защиты от токов утечки для подземных сетей напряжением до 1140 В. Суть изобретения: к последовательно соединенным датчику напряжения нулевой последовательности, фильтру промышленной частоты, блоку контроля увеличения напряжения и формирователю тактовых импульсов добавлен формирователь смещенных на 180° тактовых импульсов, а для каждой фазы сети к последовательно соединенным датчику питающего фазного напряжения, формирователю опорных импульсов, синхронному D-триггеру и логическому элементу И добавлены между выходом датчика питающего фазного напряжения и вторым входом логического элемента И последовательно соединенные формирователь смещенных на 180° опорных импульсов и второй синхронный D-триггер. Устройство обеспечивает получение раздельных результатов определения поврежденной фазы сети. Оба результата обновляются один раз за полное колебание напряжения нулевой последовательности, но с относительным смещением на 180°. В итоге обеспечивается удвоение частоты получения текущего результата. Технический результат: обеспечивается устойчивость против ошибок определения поврежденной фазы без потерь времени на проверку достоверности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для определения поврежденной фазы на землю в трехфазной сети с изолированной нейтралью, содержащее датчик напряжения нулевой последовательности, фильтр промышленной частоты, блок контроля увеличения напряжения, формирователь тактовых импульсов и для каждой фазы сети датчик питающего фазного напряжения, формирователь опорных импульсов, D-триггер и логический элемент И, причем выход датчика напряжения нулевой последовательности соединен со входом фильтра промышленной частоты, вход которого соединен со входом блока контроля увеличения напряжения и входом формирователя тактовых импульсов, а для каждой фазы сети выход датчика питающего фазного напряжения соединен через формирователь опорных импульсов с информационным входом D-триггера, тактовый вход D-триггера соединен с выходом формирователя тактовых импульсов, а выход - с первым входом логического элемента И, у которого выход соединен с исполнительным органом, отличающееся тем, что в него введены формирователь смещенных на 180^o тактовых импульсов, а для каждой фазы сети формирователь смещенных на 180^o опорных импульсов и второй D-триггер, причем все D-триггеры выполнены синхронными и со входом сброса, выход блока контроля увеличения напряжения соединен со входами сброса всех D-триггеров, выход блока контроля увеличения напряжения или вход сброса у всех D-триггеров выполнен инверсивным, вход формирователя смещенных на 180^o тактовых импульсов соединен с выходом фильтра промышленной частоты или выходом формирователя тактовых импульсов, а для каждой фазы сети выход датчика питающего фазного напряжения соединен через формирователь смещенных на 180^o опорных импульсов с информационным входом второго D-триггера, тактовый вход которого соединен с выходом формирователя смещенных на 180^o тактовых импульсов, а выход - со вторым входом логического элемента И. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что формирователь тактовых импульсов выполнен в виде нуль-компаратора, а формирователь смещенных на 180^o тактовых импульсов - в виде логического элемента НЕ, вход которого соединен с выходом нуль-компаратора.