СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ТОКОВОЙ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК H02H3/28 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к релейной защите, и может быть использовано для защиты различного вида трехфазных электрических установок (электродвигателей, трансформаторов, линий электропередач и т.д.) от повреждений, сопровождаемых различными видами коротких замыканий.

Известен способ дифференциальной токовой защиты электрической установки (электродвигателя), в соответствии с которым контролируют в двух фазах силовой цепи разность между токами с одной и другой стороны электрической установки, и при превышении в одной из фаз упомянутой разности токов отключают электрическую установку от сети [1, с. 566, 567].

Недостатком известного способа является неспособность защиты реагировать на все случаи однофазного короткого замыкания, поэтому ее применение ограничено защитой от междуфазных повреждений, кроме того, защита в соответствии с известным способом сложна, так как требует применения двух пороговых органов и имеет относительно низкую чувствительность.

Известно устройство дифференциальной токовой защиты трехфазной электрической установки, содержащее на каждой стороне электрической установки по два трансформатора тока, первичные обмотки которых включены в рассечки двух фаз силовой цепи, а вторичные обмотки включены на разность токов соответствующих фаз силовой цепи одной и другой стороны электрической установки, а так же два пороговых органа, выходы которых подключены к цепи отключения, обеспечивающей отключение электрической установки от сети [1, с. 566, 567]. Недостатком известного устройства является его неспособность реагировать на все случаи однофазного короткого замыкания, поэтому его применение ограничено защитой от междуфазных повреждений, кроме того, известное устройство сложно, так как содержит два пороговых органа и имеет относительно низкую чувствительность.

Техническим результатом предложенного изобретения является устранение указанных выше недостатков: возможность фиксации всех видов коротких замыканий, в том числе однофазных, повышение чувствительности и упрощение.

Технический результат при применении предложенного способа достигается за счет того, что при реализации известного способа дифференциальной токовой защиты трехфазной электрической установки, в соответствии с которым в трансформаторах тока преобразуют токи силовой цепи двух фаз с каждой стороны электрической установки, формируют для каждой стороны электрической установки токи путем геометрического суммирования, полученных в результате преобразований токов двух фаз со сдвинутым на 180^o током третьей фазы силовой цепи с соответствующей стороны электрической установки, формируют результирующий ток равный геометрической разности, полученных в результате упомянутых процессов суммирования на каждой стороне электрической установки токов, при превышении упомянутого результирующего тока заданного порогового значения отключают электрическую установку от сети.

Технический результат достигается также за счет того, что в устройстве дифференциальной токовой защиты трехфазной электрической установки, содержащем на каждой стороне электрической установки первый и второй трансформаторы тока, первичные обмотки которых включены в рассечки силовой цепи первой и второй фаз соответственно, с соответствующей стороны электрической установки, кроме того, пороговый орган, выход которого подключен к входу пуска цепи отключения, обеспечивающей отключение электрической установки от сети, с каждой стороны электрической установки введен третий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в рассечку силовой цепи третьей фазы, при этом вторичные обмотки трансформаторов тока каждой стороны электрической установки соединены параллельно таким образом, что вторичные обмотки первого и третьего трансформаторов тока соединены между собой одноименными выводами, а вторичные обмотки второго и третьего и вторичные обмотки первого и второго трансформаторов тока - разноименными выводами, вторичные обмотки трансформаторов тока одной стороны электрической установки соединены параллельно с вторичными обмотками другой стороны электроустановки таким образом, что вторничные обмотки соответствующих фаз трансформаторов тока одной и другой сторон электрической установки включены на разность токов соответствующих фаз, вторичные обмотки трансформаторов тока соединены с входом порогового органа.

В случае использования изобретения для защиты электроустановки места подключения одной и другой сторон которой удалены друг от друга на значительное расстояние, для достижения технического результата целесообразно использовать другой вариант устройства дифференциальной токовой защиты трехфазной электрической установки, содержащего на каждой стороне электрической установки первый и второй трансформаторы тока, первичные обмотки которых включены в рассечки силовой цепи первой и второй фаз соответственно с соответствующей стороны электрической установки, в которое с каждой стороны электрической установки введен третий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в рассечку силовой цепи третьей фазы, при этом вторичные обмотки трансформаторов тока каждой стороны электрической установки соединены параллельно, таким образом, что вторичные обмотки первого и третьего трансформаторов тока соединены между собой одноименными выводами, а вторичные обмотки второго и третьего и вторичные обмотки первого и второго трансформаторов тока - разноименными выводами, кроме того, введены первый и второй промежуточные трансформаторы и первый и второй блоки измерения, при этом параллельно соединенные вторичные обмотки трансформаторов тока одной и другой сторон электрической установки через соответствующие первый и второй промежуточные трансформаторы тока соединены с первыми входами соответствующих первого и второго блоков измерения, второй вход каждого из которых соединен со вторым входом другого блока измерения, при этом каждый блок измерения содержит изолирующий трансформатор и пороговый орган, причем первичная обмотка изолирующего трансформатора подключена к первому входу блока измерения, его вторичная обмотка соединена со вторым входом блока измерения, вход порогового органа подключен к первому входу блока измерения, а выход порогового органа подключен к выходу блока измерения, подключенного ко входу пуска цепи отключения, обеспечивающей отключение электрической установки с соответствующей стороны от сети, направления включения обмоток промежуточного и изолирующего трансформаторов относительно друг друга выбираются из условия получения на входе порогового органа сигнала, соответствующего разности результирующих токов, параллельно включенных вторичных обмоток трансформаторов тока одной и другой сторон электрической установки.

Кроме того, в частном случае применения изобретения первичные и/или вторичные обмотки промежуточных трансформаторов выполнены с отпайками.

Изобретение поясняется чертежом, где на фиг. 1a, в приведены векторные диаграммы токов i'_a, i'_b, i'_c, протекающих через вторичные обмотки трансформаторов тока фаз A, B, C соответственно силовой цепи с одной стороны электрической установки, токов i''_a, i''_b, i''_c фаз A, B, C соответственно с другой стороны электрической установки, а также токов i' и i'', полученных путем геометрического суммирования токов вторичных обмоток трансформаторов тока фаз A и C со сдвинутыми на 180^o токами вторичных обмоток трансформаторов тока фазы B одной и другой сторон электрической установки соответственно. На фиг. 1c изображены векторные диаграммы геометрической разности токов i' и i'' в нормальном режиме (сплошная линия) и в аварийном режиме (пунктирная линия) при повреждении электрической установки, сопровождаемом каким-либо видом короткого замыкания
На фиг. 2 изображен пример выполнения первого варианта устройства, осуществляющего способ дифференциальной токовой защиты.

На фиг. 3 изображен пример выполнения второго варианта устройства, осуществляющего способ дифференциальной токовой защиты.

Устройство, представленное на фиг. 2, содержит силовые цепи 1, 2, 3 фаз A, B, C, соответственно расположенные с одной стороны трехфазной электрической установки 7, и силовые цепи 4, 5, 6, расположенные с другой стороны трехфазной электрической установки 7, последовательно в каждую из силовых цепей 1, 2, 3, 4, 5 и 6, включена первичная обмотка соответствующего трансформатора тока 8, 9, 10, 11, 12 и 13. При этом первичные обмотки трансформаторов тока включены согласно. Вторичные обмотки всех трансформаторов тока соединены параллельно, при этом начала вторичных обмоток трансформаторов тока 8, 10 и 12 соединены с концами вторичных обмоток трансформаторов тока 9, 11 и 13, а концы вторичных обмоток трансформаторов тока 8, 10 и 12 соединены с началами вторичных обмоток трансформаторов тока 9, 11 и 13. Параллельно соединенные вторичные обмотки трансформаторов тока соединены с входом порогового органа 14. Выход порогового органа 14 соединен с входом пуска цепи отключения, которая при превышении тока на входе порогового органа заданного уровня по сигналу с выхода порогового органа отключает электрическую установку от сети (не показана).

На фиг. 3 представлены силовые цепи 1, 2, 3 фаз A, B, C, соответственно расположенные с одной стороны трехфазной электрической установки, и силовые цепи 4, 5, 6, расположенные с другой стороны трехфазной электрической установки, последовательно в каждую из силовых цепей 1, 2, 3, 4, 5 и 6 включена первичная обмотка соответствующего трансформатора тока 8, 9, 10, 11, 12 и 13. При этом первичные обмотки трансформаторов тока включены согласно между собой. Вторичные обмотки трансформаторов тока 8, 9 и 10 соединены параллельно между собой. Начала вторичных обмоток трансформаторов тока 8, 10 соединены с концом вторичной обмотки трансформатора тока 9 и соединены с концом первичной обмотки 16', первого промежуточного трансформатора 15'. Концы вторичных обмоток трансформаторов тока 8, 10 соединены с концом вторичной обмотки трансформатора тока 9 и соединены с началом первичной обмотки 16' промежуточного трансформатора 15'. Вторичные обмотки трансформаторов тока 11, 12 и 13 соединены параллельно между собой. Начала вторичных обмоток трансформаторов тока 11, 13 соединены с концом вторичной обмотки трансформатора тока 12 и соединены с началом первичной обмотки 16'' второго промежуточного трансформатора 15'', а концы вторичных обмоток трансформаторов тока 11, 13 соединены с началом вторичной обмотки трансформатора тока 12 и соединены с концом первичной обмотки 16'' промежуточного трансформатора 15''.

Начало и конец вторичной обмотки 17' промежуточного трансформатора 15' соединены с выводами 23', 22' соответственно, первого входа первого блока измерения 18'. Начало и конец вторичной обмотки 17'' промежуточного трансформатора тока 15'' соединены с выводами 23'', 22' соответственно первого входа второго блока измерения 18''. Каждый из блоков измерения 18', 18'' содержит изолирующий трансформатор 19', 19'' соответственно и пороговый орган 14', 14'' соответственно. Начало первичной обмотки 20'(20'') изолирующего трансформатора 19'(19'') соединено с выводом 23'(23'') и с выводом 24'(24'') входа порогового органа 14'(14''), конец первичной обмотки 20'(20'') соединен с выводом 22'(22'') и с выводом 25'(25'') входа порогового органа 14'(14''). Вторичная обмотка 21'(21'') изолирующего трансформатора 19'(19'') подключена ко второму входу блока измерения 18'(18''). Вторые входы блоков измерения 18', 18'' соединены между собой соединительными проводами 28, 29. При этом выводы вторых входов измерительных блоков 18', 18'', соединенные с началами вторичных обмоток 21', 21'', соединены через соединительный провод 29, а выводы вторых входов измерительных блоков 18', 18'', соединенные с концами вторичных обмоток 21', 21'', соединены через соединительный провод 28. Выводы выхода порогового органа 14'(14'') соединены с выводами 26'(26'') и 27'(27'') выхода блока измерения 18'(18''). Выход блока измерения 18'(18'') соединен с входом пуска цепи отключения 28'(28''), замыкающие контакты которой подключают напряжение на управляющие входы выключателя 29'(29''), обеспечивающего отключение электрической установки от сети. Первичную и вторичную обмотки промежуточных трансформаторов можно выполнить с отводами, для отстройки от токов небаланса и получения требуемой чувствительности защиты. В качестве пороговых органов могут быть использованы различные типы дифференциальных реле: магнитоэлектрические, поляризованные или реле на полупроводниковых элементах.

Устройство, изображенное на фиг. 2, обеспечивает защиту трехфазной электрической установки 7 следующим образом. При подключенной к сети электрической установки 7 токи силовых цепей 1-6 преобразуются трансформаторами токов 8-13 в токи вторичных обмоток i'_a, i'_b, i'_c и i''_a, i''_b, i''_c, соответственно на общих выводах параллельно соединенных вторичных обмоток трансформаторов тока 8-10 формируется ток i', равный геометрической сумме токов i'_a, i'_c и сдвинутого на 180^o тока i'_b (фиг. 1a). На общих выводах параллельно соединенных вторичных обмоток трансформаторов тока 11-13 формируется ток i'' равный геометрической сумме токов i''_a, i''_c, со сдвинутым на 180^o током i''_b (фиг. 1в). При этом величина токов i' и i'' в 2 раза больше величины тока вторичной обмотки любого из трансформаторов тока 8-13. Так как вторичные обмотки трансформаторов тока соответствующих фаз 8 и 11, 9 и 12, 10 и 13 включены встречно относительно друг друга, на вход порогового органа 14 поступает результирующий ток (i''- i'), равный геометрической разности токов i' и i''. В нормальном режиме работы, при использовании трансформаторов тока с одинаковыми параметрами токи i' и i'' равны, их геометрическая разность равна нулю, на выходе порогового органа имеется нулевой сигнал, не приводящий к отключению электрической установки от сети.

При повреждении электрической установки, сопровождающемся каким-либо видом короткого замыкания, нарушается равенство токов вторичных обмоток трансформаторов тока одноименных фаз на разных сторонах электроустановки, при этом нарушается равенство токов i' и i'', соответственно их геометрическая разность не равна нулю, и при превышении величины (i''-i') заданного порогового уровня (порога срабатывания порогового органа 14) на выходе порогового органа 14 появляется сигнал, обеспечивающий пуск цепи отключения, которая в свою очередь обеспечивает отключение электроустановки от сети.

Вариант устройства, изображенного на фиг. 3, обеспечивает защиту трехфазной электрической установки следующим образом. Токи i' и i' формируются так же, как и в устройстве фиг. 2. Ток i' через промежуточный трансформатор 15' поступает на первый вход блока измерения 18', на второй вход которого поступает через промежуточный трансформатор 15'' и изолирующие трансформаторы 19'' и 19' ток i'', при этом направление включения обмоток трансформаторов тока, промежуточных трансформаторов и изолирующих трансформаторов выбрано таким образом, что на вход порогового органа 14' поступает ток, соответствующий геометрической разности токов i' и i''. Аналогичный сигнал поступает на вход порогового органа 14''. В нормальном режиме работы при использовании трансформаторов тока с одинаковыми параметрами токи i' и i'' равны. Соответственно при одинаковых параметрах первого и второго промежуточных трансформаторов и одинаковых параметрах изолирующих трансформаторов первого и второго блоков измерения токи, поступающие на входы пороговых органов первого и второго измерительных блоков, равны нулю, в результате на выходах пороговых органов имеем нулевой сигнал, не приводящий к пуску соответствующей цепи отключения, которая не подает сигнал на управляющий вход выключателя, при этом электрическая установка не отключается от сети. При повреждении электрической установки, сопровождающемся каким-либо видом короткого замыкания, нарушается равенство токов вторичных обмоток трансформаторов тока одноименных фаз на разных сторонах электроустановки, при этом нарушается равенство токов i' и i'', соответственно их геометрическая разность не равна нулю, и при превышении величины сигнала на входах пороговых органов первого и второго блоков измерения, пропорциональных (i''-i') заданного порогового уровня (порога срабатывания пороговых органов 14', 14''), на выходе пороговых органов первого и второго блоков измерения появляются сигналы, обеспечивающие пуск цепей отключения 28', 28", которые подают сигналы на управляющие входы соответствующих выключателей 29', 29'', контакты которых размыкаются и отключают трехфазную электрическую установку от сети.

Источник информации
ЧЕРНОБРОВОВ Н.В. Релейная защита. - М.: Энергия, 1971.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите, и может быть использовано для защиты различного вида трехфазных электрических установок (электродвигателей, трансформаторов, линий электропередач и т. д. ) от повреждений, сопровождаемых различными видами коротких замыканий. Техническим результатом предложенного изобретения является возможность фиксации всех видов коротких замыканий, в том числе однофазных, повышение чувствительности и упрощение. Для фиксации режима короткого замыкания контролируют ток, равный геометрической разности токов на разных концах электроустановки, полученных путем суммирования преобразованных в трансформаторах тока токов двух фаз со сдвинутым на 180^o током третьей фазы. Такой способ фиксации наличия аварийного режима позволяет использовать только один пороговый элемент для фиксации различных типов коротких замыканий: однофазных коротких замыканий в сети с глухозаземленной нейтралью, двойных замыканий на землю при любых сочетаниях между фазами сети с изолированной нейтралью. 3 с. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ дифференциальной токовой защиты трехфазной электрической установки, в соответствии с которым в трансформаторах тока преобразуют токи силовой цепи двух фаз с каждой стороны электрической установки, отличающийся тем, что в трансформаторах тока преобразуют токи силовой цепи третьей фазы с каждой стороны электрической установки, формируют для каждой стороны электрической установки токи путем геометрического суммирования полученных в результате преобразований токов двух фаз со сдвинутым на 180° током третьей фазы силовой цепи с соответствующей стороны электрической установки, формируют результирующий ток, равный геометрической разности полученных в результате упомянутых процессов суммирования на каждой стороне электрической установки токов, при превышении упомянутого результирующего тока заданного порогового значения отключают электрическую установку от сети. 2. Устройство дифференциальной токовой защиты трехфазной электрической установки, содержащее на каждой стороне электрической установки первый и второй трансформаторы тока, первичные обмотки которых включены в рассечки силовой цепи первой и второй фаз соответственно с соответствующей стороны электрической установки, кроме того, пороговый орган, выход которого подключен к входу пуска цепи отключения, обеспечивающей отключение электрической установки от сети, отличающееся тем, что с каждой стороны электрической установки введен третий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в рассечку силовой цепи третьей фазы, при этом вторичные обмотки трансформаторов тока каждой стороны электрической установки соединены параллельно, таким образом, что вторичные обмотки первого и третьего трансформаторов тока соединены между собой одноименными выводами, а вторичные обмотки второго и третьего и вторичные обмотки первого и второго трансформаторов тока - разноименными выводами, вторичные обмотки трансформаторов тока одной стороны электрической установки соединены параллельно с вторичными обмотками другой стороны электрической установки таким образом, что вторичные обмотки соответствующих фаз трансформаторов тока одной и другой стороны электрической установки включены на разность токов соответствующих фаз, вторичные обмотки всех трансформаторов тока соединены с входом порогового органа. 3. Устройство дифференциальной токовой защиты трехфазной электрической установки, содержащее на каждой стороне электрической установки первый и второй трансформаторы тока, первичные обмотки которых включены в рассечки силовой цепи первой и второй фаз соответственно с соответствующей стороны электрической установки, отличающееся тем, что с каждой стороны электрической установки введен третий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в рассечку силовой цепи третьей фазы, при этом вторичные обмотки трансформаторов тока каждой стороны электрической установки соединены параллельно таким образом, что вторичные обмотки первого и третьего трансформаторов тока соответствующей стороны электроустановки соединены между собой одноименными выводами, а вторичные обмотки второго и третьего и вторичные обмотки первого и второго трансформаторов тока соответствующей стороны электроустановки - разноименными выводами, кроме того, введены первый и второй промежуточные трансформаторы и первый и второй блоки измерения, при этом параллельно соединенные вторичные обмотки трансформаторов тока одной и другой сторон электрической установки через соответствующие первый и второй промежуточные трансформаторы тока соединены с первыми входами соответствующих первого и второго блоков измерения, второй вход каждого из которых соединен со вторым входом другого блока измерения, при этом каждый блок измерения содержит изолирующий трансформатор и пороговый орган, причем первичная обмотка изолирующего трансформатора подключена к первому входу блока измерения, его вторичная обмотка соединена со вторым входом блока измерения, вход порогового органа подключен к первому входу блока измерения, а выход порогового органа подключен к выходу блока измерения, подключенного к входу цепи пуска отключения, обеспечивающей отключение электрической установки с соответствующей стороны от сети, направления включения обмоток промежуточного и изолирующего трансформаторов относительно друг друга выбираются из условия получения на входе порогового органа сигнала, соответствующего разности результирующих токов параллельно включенных вторичных обмоток трансформаторов тока одной и другой стороны электрической установки. 4. Устройство токовой защиты по п.3, отличающееся тем, что первичные обмотки промежуточных трансформаторов выполнены с отпайками. 5. Устройство токовой защиты по п.3 или 4, отличающееся тем, что вторичные обмотки промежуточных трансформаторов выполнены с отпайками.