УСТРОЙСТВО ЗАЩИТЫ ОТ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРАВЛЕНИЯ ТОКА Российский патент 2001 года по МПК H02H3/38 

Изобретение относится к схемам защиты электрических сетей, более конкретно - к схемам защиты, реагирующим на фазовый угол между напряжением и током, и может быть использовано для предотвращения перехода двигателей (генераторов) переменного тока в генераторный (двигательный) режим, а также выявления асинхронного хода синхронных машин.

Известные реле направления мощности типа РБМ-171, 271, 178, 278 и т.д. (до сих пор применяемые в промышленности), являющиеся по принципу действия индукционными устройствами, характеризуются определенными углами максимальной чувствительности реле, мощностями срабатывания в пределах 0,2 - 4 ВА в областях максимальной чувствительности, являющимися вполне конкретными для каждого типа реле, определяемых принципом действия, который характеризуется созданием вращающих механических моментов, вызывающих срабатывание реле, пропорциональных произведению действующих значений токов, напряжений и углов фазового сдвига [1]. Защиты, построенные на указанных реле, имеют следующие недостатки:
- большие выдержки времени вблизи источников питания;
- недостаточную чувствительность в сетях с относительно небольшими кратностями токов короткого замыкания;
- мертвую зону при трехфазных коротких замыканиях.

Известно устройство [2] , содержащее два компаратора, измерительные преобразователи тока и напряжения, временной кодирующий блок и сглаживающий фильтр, где с целью расширения диапазона измерения углов сдвига фаз тока и напряжения в сети в состав устройства введены двухканальный делитель частоты, на входы первого и второго каналов которого через компараторы поступают сигналы тока и напряжения сети через измерительные преобразователи тока и напряжения соответственно, а выход первого канала работает на первый вход временного кодирующего блока. Выход второго канала через формирователь треугольного напряжения и третий компаратор подключен ко второму входу временного кодирующего блока, являющегося схемой управления для выходной части устройства, которое через сглаживающий фильтр управляет входами двух пороговых элементов, выходы которых подключены ко входам элемента И, выход которого является выходом устройства в целом.

В этом устройстве, наиболее близком к заявляемому устройству, выходной сигнал временного кодирующего блока, т.е. блока управления, обрабатывается сглаживающим фильтром, что однозначно приводит к подавлению высокочастотных составляющих, выделению среднего значения и, действительно, увеличению диапазона измерения углов сдвига фаз тока и напряжения, но при этом полностью теряется фиксация времени изменения направления мощности. Применение пороговых элементов на выходе сглаживающего фильтра, работающего на элемент И в прототипе, выдвигает принципиальные требования к стабильности указанных порогов, даже если пороговые элементы имеют триггерную характеристику. Действительно, при попадании одного из указанных порогов по величине в диапазон сигнала, большего максимально возможной величины логического 0 и меньшего величины минимально возможного значения уровня логической 1, выходной элемент И окажется в неопределенном состоянии, т.е. не сможет различить изменения состояния сети.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения быстродействия и чувствительности защиты электрической сети от изменения направления тока. Для решения поставленной задачи в устройство защиты от изменения направления тока, содержащее датчики тока и напряжения, компараторы, схему управления, реализующую функцию "неравнозначность", дополнительно введены синхронизатор импульсов, инвертор, триггер состояния, счетчик угла сдвига между током и напряжением, счетчик дополнительного угла, генератор импульсов, два электронных ключа, работающих в противофазе, и выходное устройство, причем выход схемы управления подключен к входу инвертора и входу сброса счетчика угла сдвига между током и напряжением, сигнал схемы управления является управляющим для обоих электронных ключей и синхронизатора импульсов, на вход которого подключен генератор импульсов, а его выход подключен к рабочим входам электронных ключей, выходы которых подключены к счетным входам счетчиков угла сдвига между током и напряжением и дополнительного угла соответственно, выход инвертора подключен к входу сброса счетчика дополнительного угла, а выход переноса счетчика угла сдвига между током и напряжением - к входу S триггера состояния, выход переноса счетчика дополнительного угла - к входу R триггера состояния, выход которого подключен к выходному устройству, выход которого является выходом устройства в целом.

Отличительные признаки предлагаемого устройства - наличие генератора импульсов, синхронизатора импульсов, двух электронных ключей, инвертора, счетчика угла сдвига между током и напряжением и счетчика дополнительного угла, триггера состояния и выходного устройства, при этом сигнал схемы управления является управляющим для обоих электронных ключей и синхронизатора импульсов, выход схемы управления подключается к входу сброса счетчика угла сдвига между током и напряжением и через инвертор - к входу сброса счетчика дополнительного угла, а вход генератора импульсов через синхронизатор и электронные ключи подключается к счетным входам указанных счетчиков соответственно, выходы переносов которых управляют триггером состояния и подключенным к нему выходным устройством - обеспечивают контроль направления тока в каждый период питающей частоты, при этом угловая чувствительность устройства зависит только от модуля счета счетчиков и не зависит от значения самого угла, а значит повышается чувствительность защиты электрической сети от изменения направления тока и быстродействия.

В предлагаемом устройстве с целью повышения быстродействия и чувствительности защиты сети при изменении направления тока (мощности) контроль угла сдвига между током и напряжением осуществляется в каждом периоде частоты сети без сглаживания сигнала угла сдвига каким-либо сглаживающим фильтром, а величина сигнала определяется в цифровом коде счетчиками без применения пороговых элементов, причем чувствительность устройства является величиной постоянной, не зависящей от угла сдвига между током и напряжением и определяемой по зависимости
S = π/4N; f_г = f • 4N, (1)
где S - угловая чувствительность устройства;
f- частота сети;
f_г - частота генератора;
N - модуль счета (деления счетчиков);
π = 3,14.
Так, например, при N = 256 угловая чувствительность составит 10 минут 33 секунды.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 приведены временные диаграммы работы этого устройства.

Устройство содержит: датчик тока 2 и датчик напряжения 3 присоединения, включенные так, что их сигналы находятся в противофазе при угле сдвига между током и напряжением, равным нулю. Датчики подключены каждый к своему однополупериодному выпрямителю 4 и 5 и далее - каждый к своему компаратору 6 и 7, выходы которых подключены ко входам схемы управления 8, являющейся схемой неравнозначности (сложения по модулю 2). Выход схемы управления подключается к входу инвертора 11 и к входу сброса Ro счетчика угла сдвига 13. Одновременно сигнал схемы управления является управляющим для двух электронных ключей 9 и 10, работающих в противофазе, и синхронизатора импульсов 15. В схему введен также несинхронизированный генератор тактовых импульсов 14, генерирующий импульсы частоты, выход которого подключен к синхронизатору и через него - к рабочим входам ключей. Выходы ключей подключены к счетным входам счетчиков 12 и 13, а вход сброса Ro счетчика дополнительного угла 12 - к выходу инвертора. Выходы переносов счетчиков подключены к входам R, S триггера состояния 16, выход которого подключен к входу усилительного устройства 17 с выходом "сухой контакт", являющегося выходом устройства.

Устройство работает следующим образом: при отключенном коммутационном аппарате 1 его блок-контакт устанавливает триггер состояния 16 в положение Q - низкий уровень, высокий уровень, тем самым работа устройства блокируется. После включения аппарата 1 на выходе выпрямителей 4 и 5 при угле сдвига между током и напряжением ϕ₁< π/2 сигналы принимают вид, приведенный на диаграммах 4 и 5 (первые синусоиды). На выходах компараторов 6 и 7 при этом сигналы приведены на одноименных диаграммах. Эти сигналы являются входными для схемы управления 8, на выходе которой появляется управляющий сигнал, представляющий собой огибающую кривую диаграммы 9. Этот сигнал поступает на вход счетчика 13 и блокирует его работу. Проинвертированный сигнал с выхода инвертора 11 разрешает работу счетчика дополнительного угла 12. Сигнал схемы управления замыкает ключ 9 и размыкает ключ 10. Импульсы с генератора 14 проходят через синхронизатор 15, ключ 9 на счетный вход счетчика 12. Синхронизатор необходим для прохождения при несинхронном возникновении импульса управления и импульса генератора целого числа счетных импульсов (без укорочения первого импульса генератора, проходящего через соответствующий ключ). Таким образом, на счетный вход счетчика 12 поступает импульс схемы управления, промодулированный импульсами генератора по диаграмме 9. Счетчик 12 производит их счет и, так как частота счета выбрана по (1), то он успевает досчитать до величины модуля счетчика (на фиг. 2 приведен для примера шестнадцатиричный счетчик, т.о. N = 16) в момент времени tl. При этом на выходе переноса счетчика 12 появляется низкий уровень, который подтверждает состояние триггера 16 - Q-низкий уровень, высокий (см. диаграммы 12, 13 и 16), таким образом, нормальность режима подтверждается в каждом периоде. В момент времени t2 счетчик 12 обнуляется, ключ 9 отключается, ключ 10 включается и производится счет счетчиком 13. Однако в связи с длительностью оставшегося интервала (равного в угловой мере фазовому углу) менее π/2 счетчик не успевает досчитать до величины модуля счета, после чего он также обнуляется. При этом на выходе переноса состояние не изменяется, триггер состояния также не меняет своего состояния, выходной сигнал отсутствует, что подтверждает нормальный режим работы.

В случае сдвига тока на угол более π/2 (см. вторые синусоиды на диаграммах 4, 5) счетчики 12, 13 меняются местами при работе во временной области. Счетчик 12 не успевает досчитать до модуля счета, и на его выходе не возникает сигнала низкого уровня, счетчик 13, напротив, досчитывает до модуля счета в момент t5, на его выходе переноса появляется низкий уровень, который поступает на вход установки триггера состояния. Последний переключается, вызывая срабатывание выходного устройства и отключение коммутационного аппарата 1.

Предлагаемое устройство контролирует, таким образом, угол сдвига между током и напряжением в каждый период частоты, а его чувствительность определяется только модулем счета и не зависит от величины этого угла.

При замене триггера состояния 16 и выходного устройства 17 еще одним счетчиком данное устройство будет считать количество изменений направления мощности присоединения, то есть может быть использовано в качестве пускового устройства защиты от асинхронного хода синхронных машин.

Список литературы
1. Чернобровов Н.В. Релейная защита. М., "Энергия", 1974.

2. Патент Российской Федерации N 2014701, Н 02 Н 3/38, опубл.15.06.1994, БИ N 11.

Устройство может быть использовано для защиты электрических сетей от изменения направления мощности и асинхронного хода синхронных машин. Устройство защиты содержит датчики тока и напряжения присоединения, включенные так, что их сигналы находятся в противофазе при угле сдвига между током и напряжением, равным нулю, два однополупериодных выпрямителя, два компаратора, схему управления, реализующую функцию "неравнозначность", куда дополнительно введен генератор импульсов, синхронизатор импульсов, два электронных ключа, работающих в противофазе, инвертор, счетчик угла сдвига между током и напряжением, счетчик дополнительного угла, триггер состояния и выходное устройство. Технический результат заключается в том, что производится контроль направления тока в каждый период питающей частоты и угловая чувствительность устройства зависит только от модуля счета счетчиков. 2 ил.

Устройство защиты от изменения напряжения тока, содержащее датчики тока и напряжения присоединения, включенные так, что их сигналы находятся в противофазе при угле сдвига между током и напряжением, равном нулю, подключенные каждый на свой однополупериодный выпрямитель, которые подключены к двум компараторам, каждый к своему, выходы которых подключены к входам схемы управления, реализующей функцию "неравнозначность", отличающееся тем, что в него введены счетчик угла сдвига между током и напряжением и счетчик дополнительного угла, генератор импульсов, синхронизатор импульсов, два электронных ключа, работающих в противофазе, инвертор, триггер состояния и выходное устройство, причем выход схемы управления подключен ко входу инвертора и входу сброса счетчика угла сдвига между током и напряжением, сигнал схемы управления является управляющим для обоих электронных ключей и синхронизатора импульсов, на вход которого подключен генератор импульсов, а его выход подключен к рабочим входам электронных ключей, выходы которых подключены к счетным входам счетчиков угла сдвига между током и напряжением и дополнительного угла соответственно, выход инвертора подключен к входу сброса счетчика дополнительного угла, а выход переноса счетчика угла сдвига между током и напряжением - к входу S триггера состояния, выход переноса счетчика дополнительного угла - к входу R триггера состояния, выход которого подключен к выходному устройству, выход которого является выходом устройства в целом.