СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СРАВНИВАЕМЫХ КОМПАРАТОРОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН ВО ВРЕМЯИМПУЛЬСНОМ УСТРОЙСТВЕ ЗАЩИТЫ И АВТОМАТИКИ С ФУНКЦИЕЙ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ ЗАЩИЩАЕМОГО ОБЪЕКТА Российский патент 2009 года по МПК G01R27/08 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к аналоговому измерительному устройству защиты и автоматики, например омметру защиты, обладающему функцией определения сопротивления защищаемого объекта системы электроснабжения промышленной частоты f: линии электропередачи, блока трансформатор-линия электропередачи, генератора, двигателя и других объектов. В частности, изобретение относится к способу формирования двух электрических величин, подводимых к соответствующим входам компаратора устройства защиты, когда при коротком замыкании на защищаемом объекте, т.е. в зоне ответственности устройства, на выходе компаратора формируется информационный электрический сигнал u_вых, у которого один из его параметров однозначно связан с величиной, например, модуля z_кз.л комплексного сопротивления например, линии до места короткого замыкания, т.е. [Федосеев В.А. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия. 1976 г. С.228-229, 246-248].

Известно реле сопротивления, в котором компаратор сравнивает между собой соответствующим образом сформированные два напряжения, причем первое рабочее напряжение, вызывающее срабатывание компаратора, подается на первый вход компаратора и является модулем |u₁| мгновенного значения напряжения u₁, пропорционального подводимому от датчика тока к токовому входу реле вторичному синусоидальному току i_p, т.е.

причем ток i_p определяется первичным током i_л линии электропередачи (i_p=i_л/k_i, где k_i -коэффициент передачи датчика тока), а вызывающее несрабатывание компаратора второе тормозное напряжение подается на второй вход компаратора и является абсолютным значением подводимого к входу напряжения реле от датчика напряжения вторичного синусоидального напряжения u_p, т.е. является напряжением постоянного тока, величина которого пропорциональна модулю комплексного значения напряжения

причем напряжение u_p определяется напряжением u_л на линии в месте установки защиты, а именно u_p=u_л/ k_u, где k_u - коэффициент передачи датчика напряжения.

В известном реле сопротивления его компаратор реализует времяимпульсный способ косвенного деления подводимых к входам компаратора электрических величин, в результате чего реле сопротивления обладает функцией определения расстояния до места короткого замыкания по фиксируемому в момент повреждения модулю входного комплексного полного сопротивления линии т.е. при этом величина сопротивления кодируется в длительности Δt прямоугольных импульсов напряжения u_вых, появляющегося на выходе компаратора при повреждении в пределах зоны ответственности реле сопротивления [А.с. СССР 281610. Опубл. 14.09.70, Бюл. №29].

Недостатками этого реле сопротивления являются нелинейная зависимость проходной характеристики Δt(z_кз*), где Z_кз*=z_кз.л/z_уст - относительное сопротивление линии до места короткого замыкания, где z_уст - модуль сопротивления уставка [см. (10)]; зависимость получаемой на выходе компаратора информации о величине z_кз* от искажения формы мгновенного значения напряжения |u₁|, причем это искажение обусловлено как искажением формы тока i_р.кз и связанного с возможным искажением первичного тока короткого замыкания i_л.кз линии электропередачи, так и физическими процессами в датчике тока, что в конечном итоге искажает информацию о расстоянии места повреждения на линии электропередачи, определяемой через фиксацию в момент короткого замыкания длительности Δt одного из прямоугольных импульсов напряжения u_вых на выходе компаратора реле сопротивления.

В качестве близкого по технической сущности выбран прототип, в котором описан способ формирования сравниваемых компаратором между собой двух электрических величин во времяимпульсном реле защиты и в котором, например, вызывающая срабатывание компаратора первая электрическая величина u₁(t) является суммой из напряжения постоянного тока и дополнительного периодического переменного напряжения u_допt со стабильными формой и частотой f_доп(f_доп=1/Т_доп, где Т_доп - период колебания напряжения u_допt), а вызывающее несрабатывание компаратора напряжение является напряжением постоянного тока при этом на выходе компаратора формируется последовательность прямоугольных импульсов напряжения u_вых постоянной амплитуды, длительность Δt которых функционально связана с отношением напряжений постоянного тока, одно из которых является делимым, а второе - делителем, т.е. причем напряжения постоянного тока и являются модулями соответствующих синусоидальных напряжений с комплексными значениями и причем первое связано с синусоидальным напряжением u_p, а второе - с синусоидальным током i_p. Дополнительное напряжение u_доп(t) в своей структуре может содержать помимо составляющей, зависящей от времени t, постоянное напряжение смещения U_см. Решаемая в прототипе задача связана с повышением надежности и точности функционирования реле защиты как в условиях искажения синусоидальной формы подводимых к реле электрических величин u_p и i_p, так и с возможным изменением их частоты f [Пат. RU 2303310, опубл. 20.07.07. Бюл. №20].

Недостатком прототипа является то, что отношение подводимых к компаратору напряжений к и косвенно связанного с длительностью Δt прямоугольных импульсов напряжения u_вых на выходе компаратора, т.е. зависит от внутренних параметров ЭДС и комплексного сопротивления эквивалентного источника переменного напряжения, к которому подключена линия электропередачи с защитой, в которой используется времяимпульсное реле защиты с описанным в прототипе способом формирования электрических величин. Этот недостаток ограничивает область применения способа условиями, когда ЭДС и сопротивление либо постоянны, либо изменяются в незначительном диапазоне, что ограничивает использование способа применительно к решению задач разработки устройств защиты и автоматики для объектов системы электроснабжения.

Технический результат, достигаемый при синтезе времяимпульсного устройства защиты и автоматики с использованием данного изобретения, состоит в повышении точности работы устройства и однозначности определения сопротивления защищаемого объекта системы электроснабжения в условиях короткого замыкания на нем, и, например, применительно к защите линии электропередачи возможностью однозначного определения расстояния повреждения по модулю входного сопротивления короткого замыкания линии электропередачи в условиях изменяющихся внутренних параметров (ЭДС и сопротивления эквивалентного источника синусоидального напряжения, к которому подключен защищаемый объект.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе формирования сравниваемых компаратором электрических величин во времяимпульсном устройстве защиты и автоматики с функцией определения сопротивления защищаемого объекта электротехнического назначения промышленной частоты, в котором компаратор функционирует в режиме деления двух напряжений постоянного тока, причем второе делимое напряжение постоянного тока вызывает несрабатывание компаратора, согласно изобретению вызывающее срабатывание компаратора переменное напряжение получают перемножением первого напряжения постоянного тока с дополнительным периодическим переменным напряжением со стабильными формой и частотой, причем первое постоянное напряжение является делителем для второго напряжения постоянного тока, а результат деления кодируется в длительности прямоугольных импульсов напряжения, генерируемых на выходе компаратора, при этом при функциональных связях первого напряжения постоянного тока только с током защищаемого электротехнического объекта, а второго напряжения постоянного тока только с напряжением на нем времяимпульсное устройство защиты и автоматики приобретает функцию определения сопротивления защищаемого объекта.

При этом значение отношения второго напряжения постоянного тока являющегося делимым, к первому напряжению постоянного тока являющегося делителем, на своем выходе компаратор кодирует в длительности Δt прямоугольных импульсов напряжения u_вых постоянной амплитуды, последовательность которых появляется, когда имеет место превышение вызывающего срабатывание компаратора переменного рабочего мгновенного напряжения u₁(t) над тормозным напряжением постоянного тока вызывающим его несрабатывание, т.е. при условии

При этом проходная характеристика Δt(z_кз*) времяимпульсного устройства защиты и автоматики с функцией определения сопротивления защищаемого объекта при коротком замыкании на нем не будет зависеть от изменяющихся в условиях эксплуатации режимов работы системы электроснабжения, что, например, при использовании устройства для защиты линии электропередачи повышает точность определения расстояния до места повреждения на линии электропередачи при условии формирования модулей напряжений и соответственно из тока петли короткого замыкания линии электропередачи при коротком замыкании на ней и напряжения на этой петле:

где k₁ и k₂ - постоянные коэффициенты.

Таким образом, в пределах зоны ответственности времяимпульсного устройства защиты имеется возможность получить однозначную информацию о величине модуля z_кз входного комплексного полного сопротивления петли короткого замыкания, например, на линии электропередачи

через фиксацию длительности Δt одного импульса из последовательности прямоугольных импульсов напряжения u_вых на выходе компаратора, так как при этом имеет место функциональная зависимость вида

т.е. проходная характеристика времяимпульсного реле защиты по изобретению будет иметь структуру

где z_уст=k₁/k₂ - модуль сопротивление уставки времяимпульсного реле защиты в варианте исполнения ненаправленного реле полного сопротивления, a z* - относительное сопротивление, изменяющееся от 1 до 0 при перемещении точки короткого замыкания в пределах зоны ответственности реле защиты от конца зоны к ее началу.

Из выражения (6) следует, что времяимпульсное устройство защиты помимо свойств, присущих ненаправленному реле полного сопротивления, при его использовании в исполнении устройства защиты для линии электропередачи приобретает функцию определения расстояния до места короткого замыкания на линии, так как

где z_уд.пр - модуль удельного комплексного полного сопротивления провода линии электропередачи, определяемого как то имеет место взаимосвязь между длительностью импульсов Δt и расстоянием до места короткого замыкания при повреждении в зоне ответственности времяимпульсного устройства защиты, что следует из выражения

где - постоянный коэффициент.

Сущность изобретения состоит в том, что поставленную цель по повышению надежности, точности и однозначности функционирования компаратора как элемента деления электрических величин во времяимпульсном устройстве защиты и автоматики и, как следствие, определения сопротивления защищаемого объекта в условиях изменения режима работы системы электроснабжения решают за счет перемножения первого напряжения постоянного тока с дополнительным периодическим переменным напряжением u_доп(t) со стабильными формой и частотой f_доп и в результате формируют вызывающее срабатывание компаратора времяимпульсного устройства защиты и автоматики рабочее напряжение u₁(t) со структурой

при этом вызывающее несрабатывание компаратора тормозное напряжение является напряжением постоянного тока, причем первое напряжение постоянного тока связано с током короткого замыкания защищаемого объекта (2), а второе - с напряжением петли короткого замыкания на нем (5).

При условии, что если дополнительное напряжение u_доп(t) имеет треугольную форму, то зависимости (6) и (8) будут линейными в пределах изменения относительного сопротивления z* от 1 до 0. Величина постоянного напряжения смещения U_см, которое в общем случае может входить в структуру дополнительного напряжения u_допt, смещает проходную характеристику (6) параллельно самой себе в зависимости от знака напряжения смещения U_см.

В общем случае в зависимости от конкретно решаемой времяимпульсным устройством защиты и автоматики задачи форма периодического дополнительного напряжения u_доп(t) может быть сформирована с требуемыми параметрами, например при синусоидальной форме напряжения u_доп(t) проходная характеристика (6) устройства защиты будет иметь структуру вида

т.е. совпадающую с аналитическим выражением проходной характеристики известного реле сопротивления, но при этом на зависимость (10) не будет сказываться искажение формы мгновенного значения тока i_p, подводимого к известному реле сопротивления.

Если напряжение будет определяться только реактивной составляющей напряжения на петле короткого замыкания, т.е.

где φ_кз - аргумент комплексного сопротивления петли короткого замыкания , то, например, в случае выполнения защиты линии электропередачи во времяимпульсном устройстве защиты по изобретению будет реализована функция определения расстояния места короткого замыкания на линии по реактивной составляющей комплексного сопротивления петли короткого замыкания, что исключает, например, влияние переходного активного сопротивления в месте возникновения повреждения на точность определения расстояния места повреждения, при этом проходная характеристика у времяимпульсного устройства защиты будет вида Δt(x*), где х* - относительное реактивное сопротивление, равное х*=х_кз/Х_уст.

В общем случае напряжения постоянного тока и могут быть абсолютными значениями электрических величин, сформированными, например, согласно правилам, приведенным в [В.Л.Фабрикант. Дистанционная защита. - М.: Высш. школа, 1978. С.76-81], т.е. на основе линейных комбинаций из подводимых к реле защиты комплексных значений напряжения и тока однако длительность Δt импульсов на выходе компаратора времяимпульсного устройства защиты уже не будет однозначно связана с величиной сопротивления защищаемого объекта.

На фиг.1 приведена поясняющая способ схема алгоритма реализации изобретения, на которой показаны перемножитель двух электрических сигналов, компаратор и их соединение между собой. На первый вход Вх. 1 перемножителя подают напряжение постоянного тока а на его второй вход Вх. 2 подают дополнительное напряжение u_доп(t) с частотой f_доп и треугольной формой, при этом на выходе перемножителя формируется напряжение u₁(t) со структурой, определяемой выражением (9), т.е. повторяет форму дополнительного напряжения u_доп(t). Рабочее напряжение u₁(t) поступает на первый вход Вх. 1 компаратора и вызывает его срабатывание. На второй вход Вх. 2 компаратора поступает тормозное напряжение постоянного тока, которое препятствует срабатыванию компаратора. Функционирование компаратора определяется выражением (1).

На фиг.2 приведены диаграммы напряжений u₁(t) и подводимых к входам Вх.1 и Вх.2 компаратора в условиях нормального режима работы линии электропередачи или при коротком замыкания на линии за пределами зоны ответственности времяимпульсного устройства защиты (Z_кз.л>Z_уст); на фиг.3 - при коротком замыкании на границе зоны ответственности времяимпульсного устройства защиты

(z_кз.л=z_уст); на фиг.4 - при коротком замыкании в пределах зоны ответственности этого устройства (z_кз.л<z_уст), когда на выходе компаратора (фиг.1) появляется напряжение

u_вых в виде последовательности импульсов прямоугольной формы с длительностью импульса Δt, определяемой зависимостью (6).

Способ может быть использован для выполнения устройств защиты и автоматики объектов электротехнического назначения постоянного тока, в частности с функцией определения его сопротивления в аварийном режиме, а также найти применение в качестве времяимпульсного способа деления электрических величин в аналоговой вычислительной технике.

Предлагаемый способ формирования сравниваемых компаратором электрических величин во времяимпульсном устройстве защиты и автоматики, в том числе и источник дополнительного напряжения u_доп(t), могут быть реализованы с использованием известных в технике синтеза измерительных органов защиты, автоматики и электроники схемотехнических решений.

Использование: при формировании электрических величин, подводимых к компаратору времяимпульсного устройства защиты и автоматики объекта электротехнического назначения, компаратор которого функционирует в режиме деления двух напряжений постоянного тока, причем второе делимое является вызывающим несрабатывание компаратора напряжением, а из первого напряжения, выполняющего функцию делителя, формируют вызывающее срабатывание компаратора мгновенное значение периодического напряжения. При этом информация об отношении второго напряжения к первому напряжению кодируется в длительности Δt импульса периодической последовательности прямоугольных импульсов, генерируемых компаратором на своем выходе. Технический результат заключается в повышении надежности, точности и однозначности функционирования компаратора как элемента деления электрических величин во времяимпульсном устройстве защиты и автоматики, например, в условиях изменения внутренних параметров эквивалентного источника энергии, к которому подключен контролируемый устройством электротехнический объект. Способ заключается в том, что вызывающее срабатывание компаратора мгновенное значение периодического напряжения получают перемножением первого напряжения постоянного тока с дополнительным периодическим переменным напряжением со стабильными формой и частотой. Способ при соответствующем формировании первого и второго напряжений постоянного тока позволяет реализовать времяимпульсное устройство защиты и автоматики с функцией определения сопротивления объекта электротехнического назначения промышленной частоты при коротком замыкании на нем; может быть использовано во времяимпульсном устройстве защиты и автоматики объекта электротехнического назначения постоянного тока с функцией определения сопротивления защищаемого объекта; реализовать устройство с другим функциональным назначением; может быть использовано в качестве времяимпульсного способа деления электрических величин в аналоговой вычислительной технике. 4 ил.

Способ формирования сравниваемых компаратором электрических величин во времяимпульсном устройстве защиты и автоматики с функцией определения сопротивления защищаемого объекта электротехнического назначения промышленной частоты, в котором компаратор функционирует в режиме деления двух напряжений постоянного тока, причем второе делимое напряжение постоянного тока вызывает несрабатывание компаратора, отличающийся тем, что вызывающее срабатывание компаратора переменное напряжение получают перемножением первого напряжения постоянного тока с дополнительным периодическим переменным напряжением со стабильными формой и частотой, причем первое постоянное напряжение является делителем для второго напряжения постоянного тока, а результат деления кодируется в длительности прямоугольных импульсов напряжения, генерируемых на выходе компаратора, при этом при функциональных связях первого напряжения постоянного тока только с током защищаемого электротехнического объекта, а второго напряжения постоянного тока только с напряжением на нем, времяимпульсное устройство защиты и автоматики приобретает функцию определения сопротивления защищаемого объекта.