ЭЛЕКТРОННОЕ РЕЛЕ ЗАЩИТЫ Российский патент 2009 года по МПК H02H7/04 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите силовых трансформаторов распределительных сетей, когда по условиям динамической и термической устойчивости допускается время срабатывания защиты до двух-трех периодов и когда требуется эффективная и конструктивно простая отстройка от бросков тока включения трансформатора, в том числе при токах, искаженных полуволной, обратной начальному броску, за счет поглощения постоянной составляющей цепью намагничивания измерительного трансформатора тока. Кроме этого реле может быть использовано и для токовой отсечки линии с отпаечными трансформаторами, увеличивающими ток броска при включении этой линии. В обоих случаях предлагается простое универсальное реле защиты, выявляющее расширенный диапазон токов к.з. на одной уставке.

Известно устройство /1/, использующее напряжение, пропорциональное выпрямленному анализируемому току включения или току короткого замыкания (к.з.). В этом аналоге используется заряд конденсатора и последующий его разряд через диод в период бестоковой паузы на разрядный резистор. Напряжение, воздействующее на выходной орган защиты, определяется напряжением заряда на конденсаторе за вычитом из него напряжения на конденсаторе цепи разряда. В результате это напряжение ограничивается величиной, определяемой стабилитроном на выходе выпрямительного моста за счет рассеивания «излишней» энергии на гасительном резисторе стабилитрона. Недостатком такого устройства является невозможность его улучшения путем полезного использования этой энергии. При заполнении бестоковых пауз вторичного тока броска обратными полуволнами разрядный процесс еще больше ослабляется, а отстройка защиты от тока включения ухудшается, в то время как в заявляемом устройстве указанная энергия сигнала используется, что неизвестно. Кроме этого в аналоге отсутствует процесс накопления эффекта углубления бестоковых пауз при броске в течение анализа. Применение трансреактора в аналоге только частично устраняет нежелательное заполнение пауз, т.к. одновременно вводит зашумление процессов высшими гармониками.

Известно, что для углубления частично заполненных пауз применяется параллельный колебательный контур /2/, но здесь уже при отсутствии ограничения стабилитроном. Однако в этом случае напряжение на выходе прототипа зависит как от величины анализируемого тока, так и от бестоковых пауз, т.е. является неопределенным. Поэтому на практике в прототипе приходится использовать стабилитрон. При значительном изменении входного тока реле выходной параметр колебательного контура изменяется в широком диапазоне, что требует подстройки релейного измерительного органа.

В заявляемом устройстве зоны расположения выходного процесса четко разделены по величине для к.з., для броска, для небаланса и нагрузки за счет эффективного использования энергии и информации всего анализируемого сигнала без стабилитрона. Это является новым.

С этой целью в заявляемом устройстве на входе использован промежуточный измерительный широкополосный трансформатор тока, первичная обмотка которого запитана анализируемым током, а к вторичной обмотке подключено активное сопротивление нагрузки и двухполупериодный выпрямительный мост. На выходе устройства применено электронное измерительное реле с высокоомным входом. Плюс указанного моста через последовательные активное сопротивление и индуктивность включается на две параллельные цепи. Одна - это ключевой транзистор, а другая - резистор с небольшим последовательным конденсатором. Далее эти цепи объединяются на шинке «Земля». Одновременно другой, уже измерительный конденсатор, одним выводом подключен к земле, а вторым, соединенным с минусом моста, через балластный резистор - к базе транзистора, куда через такой же балласт подключен и плюс опорного напряжения, причем минус моста через диод с параллельным разрядным сопротивлением присоединен к сглаживающему конденсатору и далее - к входу электронного ключевого элемента с выходным реле.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого реле. Здесь 1 - широкополосный измерительный промежуточный трансформатор тока; 2 - нагрузочное сопротивление; 3 - выпрямительный мост; 4, 5 - активно-индуктивное звено; 6 - транзистор; 7, 8 - активно-емкостное звено; 10, 9 - опорный источник с балластным сопротивлением; 12 - измерительный конденсатор; 11, 13 - зарядный диод; 14 - разрядный резистор; 15 - накопительный конденсатор; 16 - электронный ключевой элемент с выходным реле.

Устройство функционирует следующим образом. В первичную обмотку измерительного широкополосного, т.е. пропускающего достаточно хорошо и постоянную составляющую, промежуточного трансформатора 1 подается анализируемый ток и далее со вторичной обмотки вторичный ток попадает на нагрузочное сопротивление 2, а затем на выпрямительный мост 3. Между положительным и отрицательным полюсами моста включены резонансный контур из резистора 4, определяющего его потери, индуктивности 5, резистора 7, также определяющего потери, небольшой емкости 8, вызывающей резонанс с индуктивностью 5, дополнительный измерительный конденсатор 12. Параллельно емкости 8 с резистором 7 включен шунтирующий ключевой транзистор 6, кратковременно закорачивающий их. В начале транзистор открыт током базы от источника опорного напряжения 10 через балластное сопротивление 9. Постоянная составляющая от напряжения моста заряжает конденсатор 12 по цепи: 4-5-6-12 - «минус моста». Когда ток от напряжения на конденсаторе 12 через резистор 11 превосходит ток от резистора 9, транзистор закрывается и последовательно с большим конденсатором 12 включается малый конденсатор 8 и резистор 7. Постоянное напряжение на конденсаторе 12 с этого момента растет очень медленно за счет одинакового зарядного тока конденсаторов. Далее начинается сложный нелинейный резонансный колебательный процесс в указанной выше цепи. Из-за наличия индуктивности 5 ток в цепи изменяется без резких скачков и поэтому влияние конденсатора 8 определяется некоторой эквивалентной его емкостью при работе транзисторного ключа и емкостью конденсатора 12 так, что это результирующая эквивалентная емкость по величине находится между емкостью последовательных конденсаторов 8, 12 и емкостью одного конденсатора 12.

При некоторой достаточно большой амплитуде напряжения на емкости 12 именно при броске тока намагничивания специально обеспечивается резонанс между индуктивностью 5 и эквивалентной емкостью 8 и 12 так, что эти колебания располагаются далеко под уровнем напряжения, заданным опорным источником напряжения 10 на конденсаторе 12. При токе к.з. наблюдаются только небольшие затухающие переходные колебания, лежащие непосредственно под заданным опорным уровнем напряжения. Указанные процессы и их расположение под опорным напряжением четко описываются нелинейным дифференциальным уравнением и могут быть рассчитаны с помощью ЭВМ, поэтому полностью подтверждаются осциллограммами.

Таким образом, в заявляемом устройстве осуществляется разделение области под заданным опорным уровнем напряжения на отдельные информационные области, которые мало зависят от величины тока в реле и сильно - от режима броска или к.з. При дешунтировании конденсатора 8 колебательный процесс сопровождается его зарядом и сохранением заряда в виде энергии для последующих колебаний, что обеспечивает эффективность разделения режимов. Инерционная цепочка 14-15 с диодом 13 обеспечивает выделение огибающей указанных процессов снизу и четкое разделение режимов с помощью электронного ключевого элемента 16 с постоянной уставкой, в котором расположено и выходное реле защиты.

Наиболее наглядно описанные процессы иллюстрируются указанными осциллограммами с инвертированием знака и снятыми на цифровой модели устройства при напряжении опорного источника 10 В. На фиг.2 приведена осциллограмма, иллюстрирующая устанавливающийся процесс при коротком замыкании. Нижняя кривая описывает огибающую снизу. На фиг.3 приведена другая осциллограмма при броске, показывающая быстро устанавливающийся колебательный процесс, огибающая которого также быстро устанавливается и занимает положение уже ниже оси времени. Видно, что спустя два-три периода зоны расположения кривых четко разделились. Такое же положение, что и у огибающей процесса при броске, занимают кривые при токе небаланса диффзащиты и нагрузки в случае использования устройства для отсечки линии.

Литература

1. А.С. СССР №1356110, Устройство для дифференциальной защиты трансформатора. Бюлл. №44, 30.11.87.

2. А.С. СССР №439876, Реле дифференциальной защиты. Бюлл., №30, 15.08.74.

Использование: в релейной защите распределительных сетей, для простой дифференциальной защиты трансформаторов и для отсечек линий с отпаечными трансформаторами, когда требуется лучшая отстройка от бросков тока намагничивания. Технический результат заключается в повышении эффективности и надежности защиты. Реле позволяет перед измерительным выходным электронным реле расположить выходной параметр по четко определенным областям. В области наибольших значений, определенных специальным опорным напряжением, расположен параметр в случае короткого замыкания, причем при большом рассеивании этого тока, значительно ниже - параметр при токе небаланса дифференциальной защиты, или при рабочем токе линии в случае отсечки линии. При этом исполнительный орган имеет фиксированную уставку. Для этого использован выпрямитель, резонансный контур с коммутируемым электронным элементом и источник опорного напряжения. 3 ил.

Электронное реле защиты, содержащее промежуточный измерительный широкополосный трансформатор тока, с нагрузочным сопротивлением, выпрямительный мост, выходное электронное измерительное реле, отличающееся тем, что на выход трансформатора тока, первичная обмотка которого запитана анализируемым током защиты, подключен вместе с нагрузочным сопротивлением трансформатора выпрямительный мост, плюс которого через последовательные активное сопротивление и индуктивность подключен к соединенным параллельно ключевому транзистору и цепи из соединенных последовательно резистора и конденсатора и далее к шине «земля», в то время как другой измерительный конденсатор одним выводом подключен к земле, а вторым, соединенным с минусом моста, через балластный резистор - к базе транзистора, куда через такой же балласт подключен и плюс опорного напряжения, причем минус моста через диод с параллельным разрядным сопротивлением присоединен к сглаживающему конденсатору и далее - входу электронного ключевого элемента с выходным реле.