СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СРАВНИВАЕМЫХ КОМПАРАТОРОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ВО ВРЕМЯИМПУЛЬСНОМ ИЗМЕРИТЕЛЬНОМ ОРГАНЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ (ОММЕТРЕ ЗАЩИТЫ) Российский патент 2008 года по МПК H01H83/16 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к измерительному органу сопротивления, используемому в дистанционной защите линии электропередачи системы электроснабжения, в частности к способу формирования двух электрических величин, подводимых к компаратору реле полного сопротивления, функционирующего в зоне срабатывания как омметр, у которого на выходе компаратора формируется информационный сигнал, по крайней мере, один из параметров которого однозначно связан с величиной сопротивления линии до места короткого замыкания (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. Учебник для вузов. Москва, «Энергия», 1976 г., с.228, 229, с.246, 247).

В качестве близкого по технической сущности выбрано реле сопротивления, содержащее компаратор (нуль-индикатор) с двумя входами, которое при коротком замыкании на линии электропередачи в пределах зоны действия функционирует как омметр, с проходной характеристикой, связывающей длительность Δt прямоугольных импульсов на выходе компаратора с величиной модуля z_кз комплексного полного сопротивления Z_кз до места короткого замыкания на линии электропередачи, т.е. в прототипе реализовано косвенное деление аварийных значений электрических величин, в результате которого получена функциональная зависимость вида

где U_кз - действующее значение синусоидального напряжения u_кз петли короткого замыкания, I_кз - действующее значение синусоидального тока i_кз петли короткого замыкания, которая, в конечном итоге, однозначно связывает длительность Δt прямоугольных импульсов на выходе компаратора реле с расстоянием l_кз до места короткого замыкания, т.е. Δt(l_кз), так как l_кз=z_кз/z_уд, где z_уд - модуль удельного полного сопротивления линии, при этом в реле к одному из двух входов компаратора подведен вызывающий его срабатывание модуль мгновенного значения рабочего напряжения |e₁|, причем это напряжение получено после однополупериодного (или двухполупериодного) выпрямления мгновенного значения синусоидального напряжения

которое функционально связанно через постоянный коэффициент k₁ с действующим значением I_кз тока короткого замыкания петли короткого замыкания, а ко второму входу компаратора подведено вызывающее его несрабатывание абсолютное значение тормозного напряжения E₀, которое неизменно во времени, но функционально связано через постоянный коэффициент k₂ с действующим значением напряжения U_кз на петле короткого замыкания и которое получено в результате выпрямления и сглаживания синусоидального напряжения u_кз, т.е.

при этом компаратор срабатывает в те моменты времени, когда мгновенное рабочее напряжение |e₁| на его первом входе превышает значение тормозного напряжения E₀ на его втором входе, т.е.

в результате чего на выходе компаратора формируется информационный параметр в виде длительности Δt импульсов, который функционально связан с величиной модуля полного сопротивления z_кз линии до места короткого замыкания и, в конечном итоге, с расстоянием l_кз до места короткого замыкания, при этом при частоте f=50 Гц подводимых к реле синусоидальных электрических величин u_кз и i_кз информация о величине модуля полного сопротивления z_кз однозначно связана с длительностью Δt импульсов на выходе компаратора, которая в зоне действия реле в зависимости от величины z_кз принимает значение в диапазоне от 0 мс до 10 мс, при этом граница срабатывания реле полного сопротивления, задаваемая сопротивлением его уставки z_уст, определяется равенством Е_1m=Е₀, которому соответствует длительность импульсов на выходе компаратора, равная Δt=0, при этом при идеальном компараторе (с бесконечной чувствительностью и при отсутствии гистерезиса), фиксирующем моменты равенства |e₁|=Е₀ при коротком замыкании в зоне срабатывания реле сопротивления, его проходная характеристика определяется выражением

где - в относительных единицах сопротивление линии до места короткого замыкания, равное [A.c. СССР 281610, МПК H01H 83/16. Реле сопротивления / В.А.Мамаев (СССР). - №1361064/24-7; заявл. 09.09.69; опубл. 14.09.70, бюл.№29].

Из-за малой скорости изменения мгновенного значения рабочего напряжения |e₁|, подводимой к первому входу компаратора, и конечной чувствительности компаратора недостатками прототипа являются повышенная погрешность в определении:

- границы зоны срабатывания реле сопротивления, т.е. выявление условия, когда ;

- длительности импульсов Δt в зоне (), когда реле сопротивления должно обеспечить свое функционирование с максимальным приближением к теоретической зависимости (5).

Технический результат, достигаемый при синтезе времяимпульсного измерительного органа сопротивления (омметра защиты) с использованием предлагаемого изобретения, состоит в возможности повышения технического уровня в результате улучшения точности определения компаратором момента начала превышения модуля мгновенного значения рабочего напряжения u_p на его первом входе над неизменным во времени тормозного напряжения U_T, подаваемым на его второй вход, что обеспечивает повышение точности определения компаратором длительности времени Δt превышения рабочего напряжения над тормозным, когда и, как следствие, повышение точности определения сопротивления z_кз линии до места короткого замыкания и, в конечном итоге, повышение точности определения расстояния l_кз до места повреждения на ней, а также повышение точности работы измерительного органа сопротивления на границе срабатывания, определяемой его уставкой, т.е. когда .

Сущность изобретения состоит в том, что поставленную цель по повышению надежности и точности функционирования времяимпульсного измерительного органа сопротивления, содержащего компаратор, решают путем формирования рабочего напряжения u_р в виде однополярных импульсов, вызывающих срабатывание компаратора, подаваемых на его первый вход и полученных путем возведения в положительную степень m≥1 модуля |e₁| мгновенного значения первой синусоидально изменяющейся электрической величины е₁, т.е. на первый вход компаратора подают рабочее напряжение

а на второй вход компаратора подают вызывающее его несрабатывание абсолютное значение тормозного напряжения U_T, полученного путем возведения в положительную степень n≥1 абсолютного значения напряжения E₀, функционально связанного со второй синусоидально изменяющейся электрической величиной e₂

где коэффициент k₀ связывает действующее значение Е₂ синусоидальной изменяющейся электрической величины е₂ с его абсолютным значением E₀, при этом степени m и n в выражениях (6) и (7) одновременно не равны единице, т.е. исключено условие m=n=1, а при равенстве степеней m=n и, в частности, при условии, что первая синусоидальная электрическая величина е₁ определяется током i_кз петли короткого замыкания на линии электропередачи, а вторая синусоидально изменяющаяся электрическая величина е₂ определяется напряжением u_кз на петле короткого замыкания получают времяимпульсный измерительный орган сопротивления, функционирующий при коротких замыканиях в пределах зоны его работы как омметр защиты, у которого компаратор на своем выходе формирует прямоугольные импульсы, временная длительность Δt которых однозначно связана с сопротивлением z_кз линии до места короткого замыкания с меньшей погрешностью отображающей зависимость (5), т.е. омметр защиты с большей точностью определяет относительное сопротивление z* до места короткого замыкания, а следовательно, и расстояние l_кз до места повреждения на линии электропередачи.

При условии m≠n получают времяимпульсный измерительный орган сопротивления, у которого длительность Δt прямоугольных импульсов на выходе компаратора будет неоднозначно связана с сопротивлением z_кз линии до места короткого замыкания.

При формировании подводимых к компаратору электрических величин согласно предлагаемому изобретению граница области срабатывания измерительного органа сопротивления определяется условием

где Е_1m - амплитуда синусоидального напряжения е₁, а для омметра защиты, у которого при формировании подводимых к компаратору электрических величин используют равенство степеней, т.е. когда m=n, условием, определяющим границу его срабатывания, будет равенство

Повышение точности определения компаратором временной длительности Δt и границы области срабатывания согласно предлагаемому изобретению достигается за счет увеличение скорости возрастания мгновенного значения рабочего напряжения u_р, так как на первый вход компаратора подают напряжение |e₁|^m, что обеспечивает компаратору возможность точнее определить как момент времени, когда появляется условие

т.е. на границе срабатывания измерительного органа, когда z*=1, так и внутри зоны его работы, когда z*<1, т.е. при условии

Для получения большей точности работы компаратора на границе срабатывания времяимпульсного измерительного органа сопротивления (омметра защиты), т.е. при z*=1, необходимо, чтобы амплитуда синусоидального напряжения е₁ выбиралась из условия Е_1m>1 В.

Используемое в качестве прототипа реле сопротивления является частным случаем предлагаемого способа формирования электрических величин, так как оно реализуется при m=n=1.

В общем случае первая синусоидально изменяющаяся величина е₁ и вторая синусоидально изменяющаяся величины е₂, из которых получают модуль |e₁| мгновенного значение е₁ (6) и абсолютное значение напряжения E₀ из e₂ (7), могут быть сформированы как комбинация из токов и напряжений согласно известным методам формирования электрических величин при синтезе реле сопротивления [Шнеерсон Э.М. Полупроводниковые реле сопротивления. М.: «Энергия», 1975, с.13], что с использованием данного изобретения позволяет получить времяимпульсный измерительный орган сопротивления с соответствующей характеристикой срабатывания на комплексной плоскости сопротивлений, у которого длительность Δt импульсов на выходе компаратора при коротком замыкании в зоне действия будет сложным образом связана с сопротивлением линии до места короткого замыкания.

Изобретение позволяет выполнить устройство для определения расстояния до места короткого замыкания на линии, омметр защиты, выполняющий функции реле защиты с одновременной выдачей информации о сопротивлении линии до места короткого замыкания, позволяет выполнить многоступенчатую дистанционную защиту при использовании одного времяимпульсного измерительного органа сопротивления и при этом обеспечить повышение точности определения границ ступеней защиты, а также выполнить защиту с зависимой от сопротивления линии до места короткого замыкания выдержкой времени срабатывания t_cp() с повышенной точностью ее воспроизведения.

Фиг.1, 2 и 3 иллюстрируют работу времяимпульсного измерительного органа сопротивления в варианте выполнения омметра защиты при использовании степеней m=n=3 при формировании соответствующих электрических величин, подаваемых на первый и второй входы компаратора, когда на его выходе формируется последовательность прямоугольных импульсов, временная длительность Δt которых согласно выражению (5) однозначно связана с сопротивлением линии до места короткого замыкания (или с расстоянием l_кз до места короткого замыкания) (фиг.4).

На фиг.1а приведены: а) рабочее напряжения u_р, подводимое к первому входу Вх. 1 компаратора 4 (фиг.3), полученное в результате возведения, например, в третью степень (m=3) модуля мгновенного значения |e₁| (фиг.2a), связанного с током линии согласно выражению (2) при коротком замыкании в конце зоны, определяемой уставкой омметра защиты (z*=1, точка К1, фиг.4); б) тормозное напряжение U_т, подводимое ко второму входу Вх. 2 компаратора (фиг.3), полученное в результате возведения, например, в третью степень (m=3) абсолютного значения напряжения E₀, определяемого согласно выражению (3) напряжением U_кз в месте установки омметра защиты при коротком замыкании в точке К1.

На фиг.1б приведены характер изменения тех же величин (u_р и U_T), но при условии короткого замыкания в середине зоны (z*=0,5, точка К2, фиг.4), при этом на выходе компаратора 4 (фиг.3) формируются прямоугольные импульсы с длительностью Δt=6,67 мс.

На фиг.2a и б приведены кривые изменения подводимых к соответствующим входам компаратора рабочего u_р и тормозного U_T напряжений, но при условии равенства единице степеней, m=n=1, т.е. эти кривые иллюстрируют работу прототипа при тех же условиях, что и омметр защиты с подводимыми к компаратору 4 (фиг.3) электрическими величинами, сформированными при условии m=n=3 (фиг.1).

На фиг.3 приведена блок-схема возможного варианта выполнения времяимпульсного измерительного органа сопротивления (омметра защиты), в котором используется согласно изобретению способ формирования подводимых к компаратору электрических величин, на которой обозначены: 1 - узел, формирующий из тока i_кз мгновенное напряжение е₁ согласно выражению (2); 2 - одно- или двуполупериодная схема выпрямления, обеспечивающая на своем выходе получение модуля мгновенного напряжения |e₁| (на фиг.2а приведены зависимости этого напряжения, полученные в результате использования двухполупериодной схемы выпрямления); 3 - схема возведения в степень m напряжения |e₁| и получения на своем выходе рабочего напряжения u_p согласно выражению (6); 4 - компаратор; 5 - узел ограничения напряжения с напряжением ограничения U_1огр (фиг.1 и фиг.2), исключающим попадание на вход Вх.1 компаратора 4 недопустимо больших напряжений после узла 3; 6 - схема получения из синусоидального напряжения u_кз абсолютного значения этого напряжения Е₀; 7 - схема возведения в степень n напряжения E₀ и получения на выходе тормозного напряжения U_т согласно выражению (7); 8 - узел ограничения напряжения в канале формирования рабочего напряжения.

На фиг.4 приведена условно некоторая линия электропередачи W с установленными датчиками напряжения и тока для отбора информации о величинах, подводимых к времяимпульсному измерительному органу сопротивления (омметру защиты) аварийных значений напряжения u_кз и тока i_кз.

Из сопоставления фиг.1а и фиг.2а видно, что на границе срабатывания омметра защиты (z*=1) возведение в степень m однополярных импульсов напряжения |e₁| (фиг.1а) обеспечивает компаратору лучшие условия по более точному распознаванию границы срабатывания омметра защиты, чем у прототипа (фиг.2a).

Из сопоставления фиг.1б и фиг.2б видно, что в первом случае компаратору обеспечиваются лучшие условия по более точному определению временного интервала Δt, что обусловлено большей скоростью нарастания рабочего напряжения u_p, чем у прототипа (фиг.2б).

Предлагаемый способ формирования сравниваемых компаратором электрических величин во времяимпульсном измерительном органе сопротивления (омметре защиты) может быть реализован с использованием известных в технике синтеза измерительных органов защиты, автоматики и электроники схемотехнических решений, а, например, возведение электрических величин в степени 2, 3 и 4 решают с помощью квадраторов, используемых в технике аналоговой обработки электрических сигналов.

Использование: в омметрах защиты для построения дистанционной защиты линии электропередачи, а также в устройствах определения расстояния до места короткого замыкания на ней. Технический результат заключается в повышении точности. Согласно способу в качестве первой электрической величины, выполняющей функцию делимого напряжения, использован модуль мгновенного синусоидального напряжения, возведенного в целую положительную степень m и поданного на первый вход компаратора, а в качестве второй электрической величины, выполняющей функцию делителя, использовано абсолютное значение синусоидального напряжения, возведенного в степень n, причем степени m и n не могут быть одновременно равны единице. При m=n и соответствующем формировании возводимых в степень электрических величин способ позволяет синтезировать омметр защиты, на выходе компаратора которого величина длительности импульсов Δt однозначно связана с величиной модуля полного сопротивления линии до места короткого замыкания. 6 ил.

Способ формирования сравниваемых компаратором электрических величин во времяимпульсном измерительном органе сопротивления (омметре защиты), содержащем компаратор, отличающийся тем, что подаваемое на первый вход компаратора рабочее напряжение, вызывающее его срабатывание, получают путем возведения в положительную степень m≥1 модуля мгновенного значения первой синусоидально изменяющейся электрической величины, пропорциональной синусоидальному току петли короткого замыкания, а подаваемое на второй вход компаратора тормозное напряжение, вызывающее его несрабатывание, получают возведением в положительную степень n≥1 абсолютного значения второй синусоидально изменяющейся электрической величины, пропорциональной напряжению на петле короткого замыкания, причем степени m и n одновременно не равны единице, и при равенстве степеней m=n получают омметр защиты, у которого длительность импульсов на выходе компаратора однозначно связана с модулем сопротивления линии до места короткого замыкания.