ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ РЕЛЕ Российский патент 2004 года по МПК H01H47/18 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах дифференциальной защиты трансформаторов при коротких замыканиях в условиях возможного возникновения бросков типа намагничивания, которые возникают при включении ненагруженного трансформатора.

Известно устройство, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик, дешифратор, формирователь импульсов и исполнительный элемент, выполненный в виде транзистора [1].

Недостатком устройства является относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве дифференциального реле.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, содержащее последовательно соединенные промежуточный трансформатор тока, выпрямительный блок, активный фильтр, первый пороговый блок, второй пороговый блок и исполнительный элемент [2].

Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно низкая точность в условиях возможного действия помех и возможных изменений частоты генератора.

Техническим результатом изобретения является повышение точности.

Этот технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее последовательно соединенные промежуточный трансформатор тока, вход которого предназначен для подключения контролируемого напряжения, выпрямительный блок и первый пороговый блок и, кроме того, второй пороговый блок и исполнительный элемент, отличающееся тем, что, введены генератор тактовых импульсов, первый элемент И, первый вход которого соединен с выходом "больше" первого порогового блока, второй элемент И, первый вход которого соединен с выходом "меньше" первого порогового блока, а второй вход - соединен со вторым входом первого элемента И и с выходом генератора тактовых импульсов, первый и второй счетчики импульсов, счетные входы которых соединены соответственно с выходом первого элемента И и с выходом второго элемента И, первый и второй фильтры-усреднители, информационные входы которых соединены соответственно с выходом первого счетчика импульсов и с выходом второго счетчика импульсов, алгебраический сумматор, вход сложения которого соединен с выходом первого фильтра-усреднителя, вход вычитания соединен с выходом второго фильтра-усреднителя, а выход соединен с входом второго порогового блока, третий элемент И, первый вход которого соединен с выходом "меньше" второго порогового блока, а выход - соединен с входом исполнительного элемента, первый и второй формирователи короткого импульса по заднему фронту, входы которых соединены соответственно с выходом "больше" и с выходом "меньше" первого порогового блока, первый элемент задержки, вход которого соединен с выходом первого формирователя короткого импульса по заднему фронту и с управляющим входом первого фильтра-усреднителя, второй элемент задержки, вход которого соединен с выходом второго формирователя короткого импульса и с управляющим входом второго фильтра-усреднителя, первый элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого элемента задержки, а выход - соединен с входом установки в ноль первого счетчика импульсов, второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом второго элемента задержки, а выход - соединен с входом установки в ноль второго счетчика импульсов, одновибратор, третий элемент задержки, вход которого соединен с выходом одновибратора, с входом запуска генератора тактовых импульсов и со вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ, а также RS-триггер, R- и S-входы которого соединены соответственно с входом и выходом третьего элемента задержки, а выход - соединен со вторым входом третьего элемента И.

На фиг.1 представлена электрическая структурная схема дифференциального реле, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Дифференциальное реле (фиг.1) содержит последовательно соединенные промежуточный трансформатор 1 тока, выпрямительный блок 2 и первый пороговый блок 3, генератор 4 тактовых импульсов, первый элемент И5, первый вход которого соединен с выходом "больше" первого порогового блока 3, второй элемент И6, первый вход которого соединен с выходом "меньше" первого порогового блока 3, а второй вход - соединен со вторым входом первого элемента И5 и с выходом генератора 4 тактовых импульсов, первый 7 и второй 8 счетчики импульсов, счетные входы которых соединены соответственно с выходом первого элемента И5 и с выходом второго элемента И6, первый 9 и второй 10 фильтры-усреднители, информационные входы которых соединены соответственно с выходом первого счетчика 7 импульсов и с выходом второго счетчика 8 импульсов, алгебраический сумматор 11, вход сложения которого соединен с выходом первого фильтра-усреднителя 9, вход вычитания соединен с выходом второго фильтра-усреднителя 10, а выход соединен с входом второго порогового блока 12, третий элемент И13, первый вход которого соединен с выходом второго порогового блока 12, а выход - соединен с входом исполнительного элемента 14, первый 15 и второй 16 формирователи короткого импульса, входы которых соединены соответственно с выходом "больше" и с выходом "меньше" первого порогового блока 3, первый элемент задержки 17, вход которого соединен с выходом первого формирователя 15 короткого импульса по заднему фронту и с управляющим входом первого фильтра-усреднителя 9, второй элемент задержки 18, вход которого соединен с выходом второго формирователя 16 короткого импульса по заднему фронту и с управляющим входом второго фильтра-усреднителя 10, первый элемент ИЛИ 19, первый вход которого соединен с выходом первого элемента задержки 17, а выход - соединен с входом установки в ноль первого счетчика 7 импульсов, второй элемент ИЛИ 20, первый вход которого соединен с выходом второго элемента задержки 18, а выход - соединен с входом установки в ноль второго счетчика 8 импульсов, одновибратор 21, третий элемент задержки 22, вход которого соединен с выходом одновибратора 21, с входом запуска генератора 4 тактовых импульсов и со вторыми входами первого 19 и второго 20 элементов ИЛИ, а также RS-триггер 23, R- и S-входы которого соединены соответственно с входом и выходом третьего элемента задержки 22, а выход - соединен со вторым входом элемента И 13.

Первый 3 и второй 12 пороговые блоки выполнены в виде стандартных аналогового и цифрового компараторов соответственно. Исполнительный элемент 14 может быть выполнен в виде реле, обмотка которого через усилитель или непосредственно соединена с выходом третьего элемента И 13.

Первый 9 и второй 10 фильтры-усреднители могут быть выполнены в виде цифрового нерекурсивного фильтра, содержащего последовательно соединенные ячейки регистра сдвига, выходы которых через соответствующие ему умножители на величину 1/к, где к - число ячеек нерекурсивного фильтра, соединены с входом сумматора, на выходе нерекурсивного фильтра формируется оценка среднего значения величин поступивших отсчетов с выхода алгебраического сумматора 11 на скользящем во времени текущем интервале усреднения. Остальные элементы являются стандартными элементами электротехники. Цепи питания, кроме цепи питания одновибратора 12, на чертеже опущены, как несущественные.

На фиг. 2а, в показан сигнал U₂ на выходе выпрямительного блока, а на фиг.2б, г - сигнал U₃ на выходе "больше" первого порогового блока 2 (для нормального режима и в условиях возможного возникновения бросков тока намагничивания).

Работает дифференциальное реле следующим образом.

Сигналы на выходе выпрямительного блока 2 (фиг.2а - в нормальном режиме, на фиг. 2в - в режиме бросков тока намагничивания) представляют собой абсолютные значения сигналов на выходе промежуточного трансформатора 1 тока. В первом пороговом блоке 1 этот сигнал сравнивается с малым пороговым уровнем, поэтому на его выходах формируются последовательности прямоугольных импульсов.

На фиг. 2б, г представлен пример сигналов на выходе "больше", где интервалы между импульсами абсолютных значений тока представлен в виде сигнала с уровнем логической единицы, а сигналы с малым уровнем, характерным для интервалов между импульсами абсолютных значений тока, - в виде сигнала с уровнем логического нуля. На выходе "меньше" первого порогового блока 1 сигналы имеют аналогичный вид, где уровень логической единицы заменен на уровень логического нуля и наоборот.

Из рассмотрения графиков следует, что независимо от частоты сигнала на выходе промежуточного трансформатора 1, суждение о наличии бросков тока намагничивания может быть вынесено на основе анализа соотношения между интервалами сигналов с уровнем логической единицы и логического нуля на выходе первого порогового блока. Это производится следующим образом.

При подаче на одновибратор 21 сигнала питания, последний вырабатывает импульс, поступающий на вход запуска генератора 4 тактовых импульсов, на вход установки в нулевое состояние RS-триггер 23 и через первый 19 и второй 20 элементы ИЛИ на входы установки в ноль соответственно первого 7 и второго 8 счетчиков импульсов. В результате на счетный вход первого счетчика 7 поступают импульсы от генератора 4 тактовых импульсов при наличии уровня логической единицы на выходе "больше" первого порогового блока 3, а на счетный вход второго счетчика 7 поступают импульсы от генератора 4 тактовых импульсов при наличии уровня логической единицы на выходе "меньше" первого порогового блока 3.

При перепаде сигналов с уровня логической единицы на уровень логического нуля на выходе "больше" первого порогового блока 3 первый формирователь 15 вырабатывает короткий импульс, по которому содержимое первого счетчика 7 переписывается в первый фильтр-усреднитель 9 и через малую задержку, обусловленную влиянием первого элемента задержки 17, обнуляется содержимое первого счетчика 7.

Аналогично при перепаде сигналов с уровня логической единицы на уровень логического нуля на выходе "меньше" первого порогового блока 3 второй формирователь 16 вырабатывает короткий импульс, по которому содержимое второго счетчика 8 переписывается во второй фильтр-усреднитель 10 и через малую задержку, обусловленную влиянием второго элемента задержки 18, обнуляется содержимое второго счетчика 8. Первый 9 и второй 10 фильтры-усреднители формируют усредненное по нескольким отсчетам значения временных интервалов, которые соответствуют интервалам наличия импульсов тока и интервалов между ними.

В результате на выходе алгебраического сумматора 11 формируется разность между ними и, когда эта разность становится меньше заданного порогового уровня, срабатывает второй пороговый блок 12, на выходе "меньше" которого формируется сигнал с уровнем логической единицы, что соответствует наличию бросков намагничивания тока. При этом через некоторую задержку в третьем элементе задержки 22, необходимую для исключения ложного срабатывания дифференциального реле в период переходного процесса в устройстве (в частности в первом 9 и втором 10 фильтрах-усреднителях), импульс с выхода одновибратора 22 переводит RS-триггер 23 в единичное состояние, поэтому сигнал с уровнем логической единицы с выхода второго порогового блока 12 поступит на выход третьего элемента И 13 и приведет к срабатыванию исполнительного элемента 14.

Таким образом, предложенное устройство обладает более высокой точностью в условиях возможного действия помех и возможных изменений частоты генератора.

Источники информации
1. Электротехнический справочник, в 4-х т. Т.2: Электротехнические изделия и устройства / Под общ. ред. В.Г.Герасимова и др. - М.: Изд-во МЭИ, 1998, с.390, рис.35.10.

2. Зильберман В.А. Релейная защита сети собственных нужд атомных электростанций. - М.: Энергоатомиздат, 1992, с.63, рис.2.3. (прототип).

Использование: в электротехнике в качестве дифференциального реле в устройствах защиты от токов короткого замыкания. Технический результат заключается в повышении точности, поскольку в реле предусмотрена защита от помех и уменьшено влияние изменений частоты тока. Дифференциальное реле содержит промежуточный трансформатор тока, выпрямительный блок, два пороговых блока, генератор тактовых импульсов, три элемента И, два счетчика импульсов, два фильтра-усреднителя, алгебраический сумматор, три элемента задержки, два элемента ИЛИ, два счетчика импульсов, одновибратор, RS-триггер и два формирователя коротких импульсов. 2 ил.

Дифференциальное реле, содержащее последовательно соединенные промежуточный трансформатор тока, вход которого предназначен для подключения контролируемого напряжения, выпрямительный блок и первый пороговый блок и, кроме того, второй пороговый блок и исполнительный элемент, отличающееся тем, что введены генератор тактовых импульсов, первый элемент И, первый вход которого соединен с выходом “больше” первого порогового блока, второй элемент И, первый вход которого соединен с выходом “меньше” первого порогового блока, а второй вход соединен со вторым входом первого элемента И и с выходом генератора тактовых импульсов, первый и второй счетчики импульсов, счетные входы которых соединены соответственно с выходом первого элемента И и с выходом второго элемента И, первый и второй фильтры-усреднители, информационные входы которых соединены соответственно с выходом первого счетчика импульсов и с выходом второго счетчика импульсов, алгебраический сумматор, вход сложения которого соединен с выходом первого фильтра-усреднителя, вход вычитания соединен с выходом второго фильтра-усреднителя, а выход соединен с входом второго порогового блока, третий элемент И, первый вход которого соединен с выходом “меньше” второго порогового блока, а выход соединен с входом исполнительного элемента, первый и второй формирователи короткого импульса по заднему фронту, входы которых соединены соответственно с выходом “больше” и с выходом “меньше” первого порогового блока, первый элемент задержки, вход которого соединен с выходом первого формирователя короткого импульса по заднему фронту и с управляющим входом первого фильтра-усреднителя, второй элемент задержки, вход которого соединен с выходом второго формирователя короткого импульса и с управляющим входом второго фильтра-усреднителя, первый элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого элемента задержки, а выход соединен с входом установки в ноль первого счетчика импульсов, второй элемент ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом второго элемента задержки, а выход соединен с входом установки в ноль второго счетчика импульсов, одновибратор, третий элемент задержки, вход которого соединен с выходом одновибратора, с входом запуска генератора тактовых импульсов и со вторыми входами первого и второго элементов ИЛИ, а также RS-триггер, R- и S-входы которого соединены соответственно с входом и выходом третьего элемента задержки, выход соединен со вторым входом третьего элемента И, а на вход одновибратора подается питание.