СПОСОБ КОНТРОЛЯ И ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЛИНИЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к распределению электрической энергии на летательных аппаратах, а именно к схемам защиты, осуществляющим автоматическое отключение, и непосредственно реагирующим на недопустимое отклонение от нормальных электрических рабочих параметров, и обеспечивающим после отключения дополнительную подачу контрольного и предупредительного сигналов.

Известен способ защиты электрических линий, основанный на использовании деформации (при нагреве) биметаллического элемента, в котором при протекании тока происходит преобразование электрической энергии в тепловую, с последующим преобразованием в механическое перемещение. Этот способ основан на сравнении заданного значения номинального тока с текущим значением и выделении разности превышения над значением номинального тока. При превышении значения номинального тока происходит прерывание электрического контакта [1, 2, 3].

Известно устройство для защиты электрических линий, которое состоит из механического устройства включения, контактной группы, чувствительного элемента, состоящего из двух жестко соединенных между собой металлических пластин с различными температурными коэффициентами расширения [1, 2, 3].

Недостатками таких способа и устройства являются наличие контактов, зависимость времени срабатывания от температуры окружающей среды и охлаждения, малая информационность и управляемость, большие тепловая инерционность и время срабатывания (t_cp=0,02÷0,05 с), отсутствие возможности ограничения пусковых токов, ручное управление.

Технической задачей изобретения является обеспечение дистанционного контроля и управления электрическими линиями с повышением быстродействия, надежности и качества электроэнергии.

Сущность изобретения состоит в том, что в способе контроля и защиты электрических линий, основанном на сравнении заданного значения номинального тока с текущим значением и выделении разности превышения над значением номинального тока, разность превышения тока получают путем дифференциации текущего значения тока с его номинальным значением, при этом при определенной величине разности ΔU×K производят токоограничение, а при определенной величине скорости изменения разности прерывают электрический контакт.

Способ реализуется в устройстве для контроля и защиты электрических линий, содержащем устройство включения, чувствительный и исполнительный элементы, в котором исполнительный элемент выполнен на полевом транзисторе, чувствительный элемент выполнен на низкоомном сопротивлении и в электрическую схему заявляемого устройства дополнительно включены микроконтроллер мультиплексной связи, устройства сравнения, устройство управления, дифференциально-функциональный усилитель, устройство формирования сигнала управления, ключ напряжения, дифференцирующее устройство.

Кроме того, заявляется вариант устройства для контроля и защиты в магистральных электрических линиях, в котором в отличие от описанного выше заявляемого устройства исполнительный элемент выполнен на двухоперационном тиристоре, а чувствительный элемент представляет собой трансформатор тока.

В сравнении с прототипом заявляемые способ и устройства для контроля и защиты электрических линий, в том числе магистральных, имеют следующие существенные отличительные признаки.

По способу - разность превышения тока получают путем дифференциации текущего значения тока с его номинальным значением, при этом при определенной величине разности ΔU×К производят токоограничение, а при определенной величине скорости изменения разности - .

По устройству - в качестве исполнительного элемента применен полевой транзистор, в качестве чувствительного элемента - низкоомное сопротивление, кроме того, в схему включены дифференциально-функциональный усилитель, пороговые устройства, ключ напряжения, устройство формирования сигнала управления, устройство управления, дифференцирующее устройство, микроконтроллер мультиплексной связи. Кроме того, по устройству (второй вариант) - в качестве исполнительного элемента применен двухоперационный тиристор, а в качестве чувствительного элемента - трансформатор тока.

Наличие существенных отличительных признаков в заявляемых способе и устройствах позволяет сделать вывод о соответствии их критерию изобретения "новизна". Несмотря на то что все элементы схемы известны из уровня техники, только в данных устройствах появляется возможность при их использовании обеспечить дистанционный контроль и защиту электрических линий с достаточной надежностью и повышенным быстродействием.

Техническим результатом изобретения является создание устройства, позволяющего дистанционно управлять, контролировать и обеспечивать защиту электрических линий без использования контактных элементов, реагирующих на токовые перегрузки (нагрев) с повышением качества за счет сравнения заданного значения номинального тока с текущим значением и выделения разности превышения над значением номинального тока. При этом при превышении заданной величины разности происходит токоограничение, а при превышении заданной скорости изменения разности значения тока происходит выключение электроэнергии с выдачей контрольного сигнала отключения, что приводит к инвариантности системы электроснабжения.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства для контроля и защиты электрических линий, на фиг.2 - то же, для магистральных электрических линий.

Устройство контроля и защиты электрических линий в мультиплексных системах распределения электроэнергии представляет собой двухконтурное, автоматическое устройство управления током потребителей электроэнергии.

В качестве исполнительного элемента 9 применяется полевой транзистор с изолированным затвором и каналом n-типа. Для контроля текущего значения тока I_T потребителя электрической энергии применяется датчик тока 10, на котором значение тока I_T потребителя преобразуется в напряжение U_дт(t), прямо пропорциональное этому току.

Первый контур управления представляет собой регулятор тока, включающий в себя:

- дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит сравнение напряжения U_дт(t), прямо пропорционального текущему значению тока I_т потребителя электрической энергии, и напряжения U_oпop2, соответствующего величине номинального тока потребителя;

- устройство сравнения 7, на котором задается предел отклонения напряжения U_опор3 от U_опор2, соответствующего величине номинального тока потребителя;

- ключ напряжения 6, передающий сигнал ΔU(t)×K с дифференциально-функционального усилителя 8 на устройство формирования сигнала управления 5;

- устройство формирования сигнала управления 5, на котором формируется напряжение управления U_упр(t) для управления исполнительным элементом 9.

Второй контур представляет собой контур автоматической защиты в режиме короткого замыкания в электрической линии или потребителе, включающий в себя:

- дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит сравнение напряжения U_дт(t), прямо пропорционального текущему значению тока I_т потребителя электрической энергии, и напряжения U_опор2, соответствующего величине номинального тока потребителя;

- дифференцирующее устройство 4, на котором определяется скорость изменения сигнала ΔU(t)×K, U_вых(t);

- устройство сравнения 2, на котором задается предел скорости изменения напряжения U_опор1, соответствующего величине текущей скорости тока I_т потребителя электрической энергии. Устройство сравнения 2 выдает сигнал короткого замыкания на устройство управления 3;

- устройство управления 3 формирует сигнал U_вкл, прямо пропорциональный сигналу U_си(I_ном), соответствующему открытому состоянию исполнительного устройства 9 для пропускания номинального значения тока потребителя при наличии сигнала включения в командном слове (КС) и формирования сигнала U_вкл=0 при наличии сигнала выключения в КС или сигнала КЗ от устройства сравнения 2.

Связь устройства контроля и защиты электрических линий в мультиплексных системах распределения электроэнергии с центральным устройством управления осуществляется по мультиплексной линии связи через микроконтроллер мультиплексной связи 1.

Устройства контроля и защиты магистральных электрических линий, в мультиплексных системах распределения электроэнергии представляют собой одноконтурное, автоматическое устройство управления током потребителей электроэнергии.

В качестве исполнительного элемента 9 применяется двухоперационный тиристор. Для контроля текущего значения тока I_т потребителя электрической энергии применяется датчик тока 10, на котором значение тока I_т потребителя преобразуется в напряжение U_дт(t), прямо пропорциональное этому току.

Устройство представляет собой контур автоматической защиты в режиме короткого замыкания в магистральной электрической линии, включающий в себя:

- дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит сравнение напряжения U_дт(t), прямо пропорционального текущему значению тока I_т потребителя электрической энергии, и напряжения U_опор2, соответствующего величине номинального тока потребителя;

- дифференцирующее устройство 4, на котором определяется скорость изменения сигнала ΔU(t)×К, U_вых(t);

- устройство сравнения 2, на котором задается предел скорости изменения напряжения U_опор1, соответствующего величине текущей скорости тока I_т потребителя электрической энергии. Устройство сравнения 2 выдает сигнал короткого замыкания на устройство управления 3 и ключ напряжения 6;

- устройство управления 3 формирует сигнал U_вкл, соответствующий открытому состоянию исполнительного устройства 9 для пропускания номинального значения тока потребителей при наличии сигнала включения в командном слове (КС) и формирования сигнала U_вкл=0 при наличии сигнала выключения в КС или сигнала КЗ от устройства сравнения 2;

- ключ напряжения 6 выдает сигнал на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_выкл при наличии сигнала КЗ. Устройство формирования сигнала управления 5 выдает на исполнительный элемент 9 сигнал U_упр=-U_выкл.

Связь устройства контроля и защиты магистральных электрических линий в мультиплексных системах распределения электроэнергии с центральным устройством управления осуществляется по мультиплексной линии связи через микроконтроллер мультиплексной связи 1.

В статическом состоянии на устройство контроля и защиты электрических линий подается только напряжение питания. При отсутствии сигнала на включение по мультиплексной линии связи (МЛС) от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 не выдает на устройство управления 3 сигнала КС "включение". При отсутствии сигнала КС "включение" устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_вкл=0. Устройство формирования сигнала управления 5 формирует сигнал U_упр=0, исполнительный элемент 9 закрыт (имеет максимальное сопротивление). При этом ток через исполнительный элемент 9, чувствительный элемент 10 и потребитель электрической энергии 11 не протекает, I_т=0.

Кроме того, в статическом состоянии на устройство контроля и защиты магистральных электрических линий подается только напряжение питания. При отсутствии сигнала на включение по мультиплексной линии связи (МЛС) от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 не выдает на устройство управления 3 сигнала КС "включение". При отсутствии сигнала КС "включение" устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_вкл=0. Устройство формирования сигнала управления 5 формирует сигнал U_упр=0, исполнительный элемент 9 закрыт (имеет максимальное сопротивление). При этом ток через исполнительный элемент 9, чувствительный элемент 10 и потребитель электрической энергии 11 не протекает, I_т=0.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

При получении командного слова (КС) "включение" по мультиплексной линии связи (МЛС) от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 выдает на устройство управления 3 сигнала КС "включение", и при отсутствии сигнала блокировки с устройства сравнения 2 устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5 сигнал U_вкл

Устройство формирования сигнала управления 5 формирует сигнал

на включение исполнительного элемента 9 до величины тока, равного номинальному значению. При этом ΔU×K=0. При протекании тока через чувствительный элемент 10 с него снимается сигнал U_дт, пропорциональный протекающему току, который подается на дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит определение разности между сигналами с чувствительного элемента 10 U_дт и опорного сигнала, пропорционального номинальному значению тока

При изменении напряжения питания U_пит на исполнительном элементе 9 стоковая характеристика исполнительного элемента 9 меняет свое положение. При этом меняется крутизна стоковозатворной характеристики. Для компенсации изменения крутизны стоковозатворной характеристики при изменении напряжения питания U_пит на исполнительном элементе 9 на дифференциально-функциональном усилителе 8 производится коррекция разностного сигнала на коэффициент К:

где K=a-b×U_пит

a, b - коэффициенты полиномиальной регрессии стоковозатворной характеристики исполнительного элемента 9 при изменении напряжения питания U_пит. Разностный сигнал ΔU(t)×K с дифференциально-функционального усилителя 8 поступает одновременно на ключ напряжения 6 и устройство сравнения 7. На устройстве сравнения 7 разностный сигнал ΔU(t)×K сравнивается с сигналом U_опор3, который пропорционален допустимому отклонению текущего тока от номинального значения. При превышении сигнала ΔU(t)×K над сигналом U_опор3 с устройства сравнения 7 выдается сигнал на включение ключа напряжения 6 и разностный сигнал ΔU(t)×K подается на устройство формирования сигнала управления 5. На устройстве формирования сигнала управления 5 происходит коррекция сигнала U_упр

Скорректированный сигнал U_упр(t) с устройства формирования сигнала управления 5 подается на исполнительное устройство 9, которое, меняя свое сопротивление, меняет значение текущего тока через чувствительный элемент 10 и потребитель электроэнергии 11. Таким образом, значение текущего тока через исполнительный элемент 9, чувствительный элемент 10 и потребитель электроэнергии 11 будет определяться допустимым отклонением текущего тока от номинального значения U_опор3. Для определения режима короткого замыкания и защиты системы электроснабжения от перегрузок разностный сигнал ΔU(t)×K подается на дифференцирующее устройство 4. На выходе дифференцирующего устройства 4 получается сигнал, пропорциональный скорости изменения разностного сигнала Данный сигнал U_вых(t) поступает с дифференцирующего устройства 4 на устройство сравнения 2, сравнивается с сигналом U_опор1, который пропорционален значению тока короткого замыкания. При превышении сигнала U_вых(t) над сигналом U_опор1 с устройства сравнения 2 выдается сигнал на устройство управления 3, который в свою очередь снимает сигнал U_вкл с устройства формирования сигнала управления 5. При этом сигнал управления, передаваемый с устройства формирования сигнала управления 5 на исполнительный элемент 9, равен

исполнительный элемент 9 закрывается в ускоренном режиме, чем достигается повышенное быстродействие. При снятии сигнала U_вкл с устройства управления 3 выдается сигнал ответное слово (ОС) "отказ" через микроконтроллер мультиплексной связи 1 по МЛС в цифровое устройство управления системы электроснабжения.

В случае контроля и защиты магистральных электрических линий устройство (фиг.2) работает следующим образом.

При получении командного слова (КС) "включение" по мультиплексной линии связи (МЛС) от цифрового устройства управления системы электроснабжения микроконтроллер мультиплексной связи 1 выдает на устройство управления 3 сигнала КС "включение" и при отсутствии сигнала блокировки КЗ с устройства сравнения 2 устройство управления 3 выдает на устройство формирования сигнала управления 5, сигнал U_вкл. Устройство формирования сигнала управления 5 выдает сигнал U_упр

на исполнительный элемент 9. При протекании тока через исполнительный элемент 9 чувствительный элемент 10 и потребитель электрической энергии 11 с чувствительного элемента 10 снимается сигнал U_дт(t), пропорциональный протекающему току, который подается на дифференциально-функциональный усилитель 8, на котором происходит определение разности между сигналами чувствительного элемента 10 U_дт(t) и опорного сигнала, пропорционального номинальному значению тока

Для определения режима короткого замыкания и защиты системы электроснабжения от перегрузок разностный сигнал ΔU(t) подается на дифференцирующее устройство 4. На выходе дифференцирующего устройства 4 получается сигнал, пропорциональный скорости изменения разностного сигнала Данный сигнал U_вых(t) поступает с дифференцирующего устройства 4 на устройство сравнения 2, сравнивается с сигналом U_опор1, который пропорционален скорости нарастания тока короткого замыкания. При превышении сигнала U_вых(t) над сигналом U_опор1 с устройства сравнения 2 выдается сигнал на устройство управления 3 и на ключ напряжения 6. Устройство управления 3 снимает сигнал U_вкл с устройства формирования сигнала 5, а ключ напряжения 6 выдает сигнал на устройство формирования сигнала управления 5, сигнал U_выкл. Устройство формирования сигнала управления 5 выдает на исполнительный элемент 9 сигнал U_упр

Исполнительный элемент 9 закрывается в ускоренном режиме, чем достигается повышенное быстродействие. При снятии сигнала U_вкл с устройства управления 3 выдается сигнал ответное слово (ОС) "отказ" через микроконтроллер мультиплексной связи 1 по МЛС в цифровое устройство управления системы электроснабжения.

Источники информации

1. Синдеев И.М. Электроснабжение летательных аппаратов. М.: Транспорт, 1982 г., с.239-246 (прототип).

2. Зонтов В.М., Куприн Б.В. Системы электроснабжения летательных аппаратов. М: ВВИА им. Н.Э.Жуковского, 1988 г., с.338-341 (прототип).

3. Красношапка М.М., Евсеев П.П., Овечкин В.А. Электроснабжение летательных аппаратов. М.: Воениздат, 1973 г., с.38-46 (прототип).

4. Половников Д.Е. Операционные усилители, принципы построения, теория, схемотехника. М.: Энергоатомиздат, 1983 г., с.91-101.

Использование: в системах электроснабжения летательных аппаратов. Технический результат заключается в обеспечении дистанционного контроля, повышении быстродействия и надежности. В способе контроля и защиты электрических линий, основанном на сравнении заданного значения номинального тока с текущим значением и выделении разности превышения над значением номинального тока, разность превышения тока получают путем дифференциации текущего значения тока с его номинальным значением. Устройство для контроля и защиты электрических линий содержит исполнительный элемент, выполненный на полевом транзисторе, чувствительный элемент, выполненный на низкоомном сопротивлении, микроконтроллер мультиплексной связи, устройство управления, устройства сравнения, ключ напряжения, устройство формирования сигнала управления, дифференцирующее устройство. В устройстве (вариант) в качестве исполнительного элемента применен двухоперационный тиристор, а в качестве чувствительного элемента - трансформатор тока. 3 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ контроля и защиты электрических линий, основанный на выделении разности превышения тока над номинальным значением и сравнении с заданным значением отклонения, отличающийся тем, что разность превышения тока получают путем дифференциации текущего значения тока с его номинальным значением, при этом при определенной величине разности производят токоограничение, а при определенной величине скорости изменения разности прерывают электрический контакт.2. Устройство для контроля и защиты электрических линий, содержащее исполнительный и чувствительный элементы, устройство включения, и контактную группу, отличающееся тем, что в качестве исполнительного элемента применен полевой транзистор, а в качестве чувствительного элемента применено низкоомное сопротивление, а также в электрическую схему включены микроконтроллер мультиплексной связи, устройство управления, устройства сравнения, устройство формирования сигнала управления, дифференциально-функциональный усилитель, ключ напряжения, дифференцирующее устройство, при этом микроконтроллер мультиплексной связи выдает на устройство управления сигнал «включение» и при отсутствии сигнала блокировки с устройства сравнения, устройство управления выдает на устройство формирования сигнала управления сигнал U_вкл, устройство формирования сигнала управления формирует сигнал U_упр(t) на включение исполнительного элемента, на дифференциально-функциональный усилитель подается сигнал U_ДТ, пропорциональный протекающему току по чувствительному элементу, с дифференциально-функционального усилителя разностный сигнал между U_опор2 и U_ДТ поступает одновременно на ключ напряжения и первое устройство сравнения, последнее включает ключ напряжения при превышении разностного сигнала над U_опор3 и устройство формирования сигнала управления корректирует сигнал U_упр(t), который подается на исполнительное устройство, а также с дифференциально-функционального усилителя сигнал поступает на дифференцирующее устройство, с выхода которого сигнал, пропорциональный скорости изменения разностного сигнала, поступает на второе устройство сравнения, которое при превышении его над U_опор1, выдает сигнал на устройство управления, которое в свою очередь снимает сигнал U_вкл с устройства формирования сигнала управления, при этом происходит выключение исполнительного элемента в ускоренном режиме.3. Устройство для контроля и защиты магистральных электрических линий, содержащее исполнительный и чувствительный элементы, отличающееся тем, что в качестве исполнительного элемента применен двухоперационный тиристор, а в качестве чувствительного элемента применен трансформатор тока и имеет микроконтроллер мультиплексной связи, устройство управления, устройства сравнения, устройство формирования сигнала управления, дифференциально-функциональный усилитель, ключ напряжения, дифференцирующее устройство, при этом при получении командного слова «включение» микроконтроллер мультиплексной связи выдает на устройство управления сигнал «включение» и при отсутствии сигнала блокировки «короткое замыкание» с устройства сравнения, устройство управления выдает на устройство формирования сигнала управления сигнал U_вкл, устройство формирования сигнала управления выдает сигнал U_упр на исполнительный элемент, на дифференциально-функциональный усилитель подается сигнал U_ДТ, пропорциональный протекающему току по чувствительному элементу, с дифференциально-функционального усилителя разностный сигнал между U_опор2 и U_ДТ поступает на дифференцирующее устройство, с выхода которого сигнал, пропорциональный скорости изменения разностного сигнала, поступает на второе устройство сравнения, которое при превышении его над U_опор1 выдает сигнал на ключ напряжения и устройство управления, которое в свою очередь снимает сигнал U_вкл с устройства формирования сигнала управления, а ключ напряжения выдает сигнал на устройство формирования сигнала управления -U_выкл, при этом происходит выключение исполнительного элемента в ускоренном режиме.