ЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ ЗАЩИТА ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ ОТ МЕЖДУФАЗНЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ Российский патент 2001 года по МПК H02H7/08 

Изобретение относится к оборудованию, предназначенному для защиты асинхронных электродвигателей от междуфазных коротких замыканий (КЗ).

Известная защита электродвигателей осуществляется максимальной токовой защитой [1]. При высокой чувствительности селективность действия максимальной защиты достигается выдержкой времени срабатывания на время пуска электродвигателя. Однако задержка срабатывания защиты увеличивает вероятность повреждения электродвигателя при возникновении КЗ.

Наиболее близкая по технической сущности является защита электродвигателей от междуфазных КЗ осуществляемая токовой отсечкой (ТО) без выдержки времени [2]. ТО отстраивается от максимального пускового тока I_п защищаемого электродвигателя по формуле I.

I_то = К_н • I_п = К_н • K_п • I_р, (1)
где I_то - ток срабатывания ТО;
I_р - действующее значение установившегося тока электродвигателя (рабочий ток);
K_н = (1,8-2,0) - коэффициент надежности, обеспечивающий некоторое загрубление защиты от апериодической составляющей пускового тока электродвигателя;
K_п = (6-12) - коэффициент пуска электродвигателя.

Низкая чувствительность ТО, т. е. отстройка тока срабатывания ТО от пускового тока, а не от рабочего, вызвана требованиями селективности. Требования селективности предполагают аналогичную отстройку тока срабатывания защиты и от генераторного тока электродвигателя, возникающего при КЗ на линии [3]. Из-за низкой чувствительности ТО к КЗ на защищаемом электродвигателе обнаруживается на той стадии, когда вероятность повреждения электродвигателя достаточно высока.

Цель изобретения - повышение чувствительности к току срабатывания ТО без ухудшения ее быстродействия и селективности. Чем чувствительнее защита, тем на более раннюю стадию возникновения КЗ она реагирует и тем меньше вероятность повреждения электродвигателя.

Для понимания сущности изобретения рассмотрим графики, приведенные на фиг. 3. Графиком (а) описан вид огибающей пускового тока элекродвигателя. Порог срабатывания ТО показан пунктирной линией (с). Как видно из графиков, порог срабатывания ТО постоянен во всех зонах работы электродвигателя, а именно:
в зоне 1 - зоне действия апериодической составляющей пускового тока электродвигателя, длящейся 10...50 мс;
в зоне 2 - зоне действия периодической составляющей пускового тока электродвигателя, длящейся 1...40 с;
в зоне 3 - зоне действия рабочего тока электродвигателя, длящейся от нескольких минут до нескольких суток.

Сущность изобретения заключается в формировании порога срабатывания защиты, огибающего пусковую характеристику электродвигателя методом последовательного ступенчатого ослабления измеряемого тока электродвигателя в зонах 1, 2 до уровня рабочего тока в зоне 3 без ухудшения селективности и быстродействия защиты, что теоретически эквивалентно ступенчатому изменению порога срабатывания защиты в соответствии с графиком (б) на фиг. 3 при неизменном измеряемом токе электродвигателя.

Как видно из графиков, приведенных на фиг. 3, теоретически эквивалентный порог срабатывания (график - б) предлагаемой защиты отслеживает изменения пускового тока электродвигателя (график - а). Причем в зоне 1 теоретически эквивалентный порог срабатывания защиты совпадает с порогом ТО; в зоне 2 теоретически эквивалентный порог срабатывания предлагаемой защиты в К_п = 1,8...2 раза ниже; в зоне 3 - в (К_п•К_н) = 11...24 раза ниже. Поскольку электродвигатель основное время находится в зоне 3, то чувствительность предлагаемой защиты в 11...24 раза выше.

Получение последовательного ступенчатого ослабления измеряемого тока электродвигателя в предлагаемом изобретении обеспечивается введением в защиту, выполненной на основе ТО, блока ослабления измеряемого тока электродвигателя 6.

Требование сохранения селективности, как у ТО означает, что при возникновении внешнего КЗ на линии, когда электродвигатель переходит в генераторный режим работы, защита не должна его отключать. При этом ток будет направлен от электродвигателя к месту КЗ, а его вид будет совпадать с видом пускового тока, приведенном на фиг. 3 в зонах 1, 2 [3]. Сохранение требований селективности в предлагаемой защите достигается введением блока распознавания генераторного режима электродвигателя.

Требование сохранения быстродействия, как у ТО выполняется, поскольку ток междуфазного КЗ сначала превысит низкий порог срабатывания (уставку рабочего тока I_уст предлагаемой защиты, а затем высокий порог ТО (I_то).

Таким образом, цель изобретения достигается тем, что в защиту, выполненную на основе ТО, дополнительно вводятся блок ослабления измеряемого тока электродвигателя и блок распознавания генераторного режима электродвигателя.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемой чувствительной защиты электродвигателей от междуфазных КЗ.

На фиг. 2 приведена схема блока ослабления измеряемого тока электродвигателя 6. На фиг. 3 приведены графики огибающей пускового тока электродвигателя - \а\, теоретически эквивалентного порога срабатывания предлагаемой защиты в зонах 1, 2, 3 - \б\, порога срабатывания известной защиты - \с\. На фиг. 4, 5 приведены эпюры напряжений и токов основных элементов защиты в нормальном режиме работы и в генераторном.

Защита электродвигателя содержит трансформатор тока (ТТ) 1, вычислитель модуля тока 2, компаратор сравнения модуля тока с I_уст 3, RS-триггер 4, выключатель питания электродвигателя 5.

Блок ослабления измеряемого тока электродвигателя 6 (см. фиг. 2) содержит два резистора 12, 13, резистивную матрицу 14, два ключа 15, 16, генератор тактовых импульсов 17, счетчик импульсов 18, два цифровых компаратора 19, 20, два RS-триггера 21, 22, переключатель 23.

Блок распознавания генераторного режима электродвигателя (см. фиг. 1) содержит два аналоговых компаратора 8,9, сумматор по модулю два 10, D-триггер 11.

Предлагаемое устройство защиты работает следующим образом.

При включении выключателя 5 напряжение фаз A, B, C подается на электродвигатель М (см. фиг. 1,2). Одновременно, формируется импульс начальной установки (НУ), обеспечивающий установку в ноль всех триггеров и счетчика. При этом ключ 16 устанавливается в замкнутое состояние, а ключ 15 в разомкнутое, соответствующее 1 зоне действия апериодической составляющей пускового тока, см. фиг. 3. Ток, пропорциональный току защищаемой фазы элекродвигателя с помощью ТТ, подается на устройство вычисления модуля тока 2, с выхода которого выпрямленный ток поступает на блок ослабления измеряемого тока электродвигателя 6, где в зависимости от номера (1, 2, 3) зоны работы вводится ослабление измеряемого тока электродвигателя в коэффициент ослабления тока (К_осл) раз. Номер зоны (1, 2, 3) работы электродвигателя определяется по состоянию цифровых компараторов 19, 20 блока 6. На первые входы компараторов 19, 20 поступают коды отсчетов времени со счетчика 18, начиная от импульса НУ. На вторые входы компараторов 19, 20 подаются соответственно коды отсчетов времени, соответствующие длительности апериодической составляющей Т_ап и длительности пускового тока электродвигателя Т_п. Интервалы между отсчетами времени определяются генератором тактовых импульсов 17. Связь значений коэффициента ослабления тока К_осл от номера зоны и состояния компараторов 19, 20 приведены в таблице 1.

В 1 зоне обеспечивается ослабление тока в К_осл = (К_п • К_н) раз резистивным делителем 12, 13, 14 с помощью ключей 15, 16 и переключателя 23. Причем с помощью переключатся 23 и ключа 16 коэффициент К_п может принимать значения от "6" до "12".

K_осл = (R12+R13+R14)/R14,
При R12 = R13 = R; R14 = R/(K_п-1), (2)
К_осл = 1+2•(К_п - 1)=2•К_п - 1 = (2 - 1/К_п)•К_п.

При К_п = 6-12
К_осл = (1,83-1,92)•К_п = К_н•К_п.

Ослабленный в (К_н•К_п) раз блоком 6 ток сравнивается с уставкой рабочего тока I_уст на компараторе 3. При отсутствии КЗ амплитуда тока ТТ не превысит I_уст, а выходы компаратора 3 и триггеров 11, 4 не изменят своего "0" состояния и, следовательно, защита не отключит электродвигатель. При возникновении КЗ амплитуда тока ТТ превысит I_уст и выход компаратора 3 переключится с "0" на "1". При отсутствии генераторного режима ("0" на R входе D-триггера 11) по фронту сигнала компаратора 3 триггер 11 перейдет в состояние "1". Одновременно, триггер 4 переключится из "0" в "1" и вызовет отключение выключателя 5 и, следовательно, электродвигателя М. Таким образом, в зоне 1 (действия апериодической составляющей пускового тока) предлагаемая защита отстроена от апериодической составляющей пускового тока.

По достижении времени, равного длительности апериодической составляющей Т_ап, на выходе счетчика 18, появится код времени, соответствующий длительности Т_ап, который переключит компаратор 19 из "0" в состояние "1". Это приведет к срабатыванию RS-триггера 21, замыканию ключа 15 и изменению коэффициента ослабления тока с помощью резистивного делителя 12, 13, 14.

К_осл = (R12+R14)/R14.

При выше принятом выборе значений резисторов (см. выражение 2), получаем.

К_осл = 1 + (К_п - 1) = К_п
Равенство К_осл коэффициенту пуска соответствует работе защиты во второй зоне пусковой характеристики (см. фиг. 3) в диапазоне от Т_ап до Т_п. Таким образом, в зоне 2 (действия периодической составляющей пускового тока) предлагаемая защита отстроена от периодической составляющей пускового тока.

После разворота электродвигателя на выходе счетчика 18 появится код времени, соответствующий длительности Т_п, который изменит состояние компаратора 20 с "0" на "1" и приведет к срабатыванию RS-триггера 22. Триггер 22 разомкнет ключ 16 и коэффициент ослабления резистивного делителя 12, 13, 14 станет равным 1. При этом амплитуда тока ТТ будет напрямую сравниваться с I_уст. Таким образом, в зоне 3 (зоне действия рабочего тока) предлагаемая защита отстроена от рабочего тока.

На фиг. 4 приведены диаграммы работы блока 7 при отсутствии генераторного режима электродвигателя. Компаратор 9 фиксирует переход через ноль напряжения защищаемой фазы электродвигателя (фиг. 4 а, с). Компаратор 8 фиксирует переход через ноль тока этой же фазы (фиг. 4 b, d). Выходные сигналы компараторов 8, 9 суммируются по модулю 2 на сумматоре 10 (фиг. 4 e), формируя сигнал разрешения "0" для записи информации в D-триггер 11 (фиг. 4 f, g) во время прохождения фронта сигнала с компаратора 3. Из выше приведенных диаграмм видно, что фронт сигнала на выходе компаратора 3, появляющийся при возникновении КЗ, находится в области разрешения сигнала сумматора 10. Следовательно, блок распознавания генераторного режима 7 разрешает срабатывание защиты. При появлении сигнала "1" D-триггера 11 (фиг. 4 к) срабатывает RS-триггер 4 (фиг. 4 m) и выдает сигнал на отключение выключателя 5.

При возникновении генераторного режима в фазе тока электродвигателя произойдет сдвиг на 180 градусов относительно фазы напряжения (фиг. 5 а). С точностью до инверсии изменится сигнал с выхода компаратора 9 (фиг. 5 с) и, следовательно, произойдет инвертирование выходного сигнала сумматора по модулю два 10. При этом, фронт сигнала с выхода компаратора 3 (фиг. 5 g) не будет совпадать с сигналом разрешения с выхода сумматора 10. Сигнал превышения I_уст с компаратора 3 не запишется в триггер 11 и защита не сработает. Таким образом, блок распознавания генераторного режима 7 обеспечивает предлагаемой защите высокую селективность, аналогичную известной.

По сравнению с известной защитой в зоне 3, предлагаемая обладает в К_н•К_п = 11 - 24 раза большей чувствительностью при том же быстродействии и селективности, в зоне 2-в К_н = 1,8-2 раза большей чувствительностью, в зоне 1 - аналогичной чувствительностью. Предлагаемая защита позволяет обнаруживать КЗ на зачаточной стадии его возникновения, когда вероятность повреждения электродвигателя близка к нулю.

Литература
1. Н. В. Чернобровов. "Релейная защита", стр. 131, 132. "Энергия". Москва, 1974.

2. А.В. Булычев, В.К. Ванин, Г.В. Меркурьев "Методы и технические средства контроля параметров и защиты электродвигателей переменного тока", стр. 81. РАО "ЕЭС РОССИИ", Санкт-Петербург, 1996 г.

3. Л. Д. Рожкова, В.С. Козулин. "Электрооборудование станций и подстанций", стр. 186. Москва. "ЭНЕРГИЯ", 1980 г.

Изобретение используется для защиты асинхронных электродвигателей от междуфазных коротких замыканий. Оно выполнено на основе "токовой отсечки", и дополнительно введены блок ослабления измеряемого тока электродвигателя и блок распознавания генераторного режима электродвигателя. Приведены структурные схемы блоков затухания тока электродвигателя и распознавания генераторного режима электродвигателя, а также формулы и графический материал, характеризующий эффективность защиты. Технический результат заключается в повышении чувствительности защиты без ухудшения ее селективности и быстродействия. 1 табл., 2 ил.

Чувствительная защита электродвигателей от междуфазных коротких замыканий, содержащая трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в цепь питания защищаемой фазы электродвигателя, а вторичная нагружена на вычислитель модуля тока, первый компаратор, на инвертирующий вход которого подана уставка тока, первый RS-триггер, R-вход которого соединен с шиной начальной установки, а выход является входом выключателя электродвигателя, отличающаяся тем, что дополнительно введены блок ослабления измеряемого тока электродвигателя и блок распознавания генераторного режима электродвигателя, причем блок ослабления измеряемого тока электродвигателя содержит генератор тактовых импульсов, выход которого соединен со счетным входом счетчика, R-вход счетчика соединен с шиной начальной установки, а выход - с неинвертирующими входами второго и третьего компараторов, на инвертирующие входы которых соответственно поданы коды длительности пускового режима электродвигателя и его апериодической составляющей, третий и четвертый RS-триггеры, R-входы которых соединены с шиной начальной установки, S-входы соответственно соединены с выходами второго и третьего компараторов, а выходы - с управляющими входами первого и второго ключей, причем второй ключ соединяет корпусную шину с общим выводом переключателя, другие выводы которого через резисторную матрицу объединены с неинвертирующим входом первого компаратора и через параллельно соединенные первый резистор и первый ключ - со вторым резистором, другой вывод которого соединен с выходом вычислителя модуля тока, блок распознавания генераторного режима содержит четвертый и пятый компараторы, инвертирующие входы которых соединены с корпусной шиной, входы четвертого компаратора соединены со вторичной обмоткой трансформатора тока синфазно первичной, на неинвертирующий вход пятого компаратора подается напряжение защищаемой фазы электродвигателя, сумматор по модулю два, входы которого соединены с выходами четвертого и пятого компараторов, D-триггер, D-вход которого соединен с шиной логической "1", R-вход соединен с выходом сумматора по модулю два, тактовый вход соединен с выходом первого компаратора, а выход - с S-входом первого RS-триггера.