СПОСОБ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ ОТ ПЕРЕГРУЗКИ И КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2018 года по МПК H02H3/34 H02H3/08 

Изобретение относится к области защиты электрических сетей от перегрузки и короткого замыкания, а именно трехфазных сетей, и может быть использовано в системах централизованного контроля параметров.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является техническое решение из патента RU 2163423. Способ заключается в том, что измеряют мгновенные значения производной тока электрода по времени di_j(t)/dt и мгновенные значения фазных напряжений u_j(t) со стороны низкого напряжения трансформатора каждой фазы электропечи в течение всего периода изменения тока; выделяют сигналы пропорциональные первым и третьим гармоникам производной тока электрода и фазного напряжения по каждой фазе; определяют синфазные составляющие этих сигналов по отношению к каждой из гармоник производной тока электрода для каждого электрода в отдельности и по этим синфазным составляющим путем решения системы алгебраических уравнений рассчитывают величину параметров индуктивного взаимодействия между фазами трехэлектродной электропечи.

Однако недостатком предложенного способа является необходимость выделения первой и третьей гармоник, как для сигнала производного тока, так и для сигнала фазного напряжения, что уменьшает быстродействие предложенного решения, отрицательно сказывается на величине быстродействия и требует необходимости решения системы алгебраических уравнений.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в недостаточном быстродействии известных способов защиты трехфазной сети от перегрузки и короткого замыкания.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение быстродействия при определении момента времени перегрузки или короткого замыкания трехфазного источника.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе защиты трехфазной сети от перегрузки и короткого замыкания входные сигналы, пропорциональные мгновенным фазным токам, дифференцируют, после чего возводят в квадрат, полученные сигналы суммируют, получая обобщенный сигнал, который сравнивают с установленным значением напряжения, и в случае превышения обобщенного сигнала установленного значения напряжения посредством компаратора выдают сигнал на отключение перегруженного фидера.

Обобщенный сигнал при перегрузке или коротком замыкании однозначно определяет момент времени короткого замыкания или перегрузки и величину токовой перегрузки.

Раскрытие заявляемого изобретения показано с помощью фиг. 1-3, на которых изображены:

на фиг. 1 - расчетная схема включения трехфазной нагрузки;

на фиг. 2 - блок-схема реализации заявляемого способа;

на фиг. 3 - осциллограммы.

На фиг. 1-3 позициями 1-16 показаны:

1 - ключ;

2 - комплекс полного сопротивления нагрузки до замыкания ключа;

3 - комплекс полного сопротивления нагрузки после замыкания ключа;

4 - первый дифференцирующий блок;

5 - второй дифференцирующий блок;

6 - третий дифференцирующий блок;

7 - первый блок перемножения;

8 - второй блок перемножения;

9 - третий блок перемножения;

10 - сумматор;

11 - компаратор;

12 - неинвертирующий вход компаратора;

13 - инвертирующий вход компаратора, на который подают установленное значение напряжения;

14 - фазный ток;

15 - нулевое значение напряжения;

16 - обобщенный параметр при возникновении трехфазного К3.

Для наглядности и понимания предложенного способа описан процесс включения трехфазной нагрузки путем замыкания ключа 1 (фиг. 1) в момент времени при допущении, что сеть большой мощности.

Уравнение нагрузки имеет вид:

где U_S - модуль изображающего вектора напряжения сети;

Z_H=R_H+jwL_H - комплекс 3 полного сопротивления нагрузки после замыкания ключа 1;

R_H - активное сопротивление фазы нагрузки после замыкания ключа 1;

L_H - индуктивность фазы нагрузки после замыкания ключа 1;

Z₀=(R₀+R_H)+jw(L₀+L_H) - комплекс 2 полного сопротивления нагрузки до замыкания ключа 1;

γ₀ - случайная фаза включения нагрузки;

, , - производная от мгновенного фазного тока.

Решение дифференциальных уравнений, представленных выше, имеет вид:

где ϕ₀=arctg[w(L₀+L_H)/[R₀+R_H)] - фаза тока относительно напряжения до момента замыкания ключа 1;

i_a, i_b, i_c - сигналы, пропорциональные мгновенным фазным токам;

ϕ_H=arctg(wL_H/R_H) - фаза тока относительно напряжения после замыкания ключа 1;

Т_а=L_H/R_H - постоянная времени цепи нагрузки после замыкания ключа 1;

γ=wt - текущий угол.

Для диагностирования наступления момента токовой перегрузки или короткого замыкания (КЗ), а также величины перегрузки используют обобщенную величину, равную сумме квадратов от производных фазных токов

где , , - производные по времени от мгновенных фазных токов.

Используя подстановку в это выражение производных от мгновенных фазных токов, представленных выше, имеет место следующее выражение:

В момент времени (0-), предшествующий включению ключа 1, предложенная обобщенная величина (i')² равна

Так как в этот момент времени Z_H=Z₀, ϕ_H=ϕ₀.

Учитывая, что w²=(2πƒ)²=const, имеет место выражение:

где I_S - модуль изображающего вектора тока трехфазной системы

В момент времени (0+), сразу после включению ключа 1, предложенная обобщенная величина (i')² равна

Таким образом, при включении ключа 1 обобщенная величина (i')² меняется «скачкообразно» с величины до величины .

Именно это свойство позволяет определять момент и величину токовой перегрузки.

Способ осуществляют следующим образом.

Входные сигналы, пропорциональные мгновенным фазным токам i_a, i_b, i_c, дифференцируют с помощью дифференцирующих блоков 4-6, после чего возводят в квадрат с помощью блоков перемножения 7-9. Полученные сигналы квадратов от производных мгновенных фазных токов складывают в сумматоре 10. Сигнал со значением

где i_a, i_b, i_c - сигналы, пропорциональные мгновенным фазным токам; поступает на неинвертирующий вход 12 компаратора 11, на инвертирующий вход 13 которого подают установленное значение напряжения U_уст.

При превышении напряжения сигнала, поступающего на вход 12 компаратора 11, величины установленного значения напряжения U_уст, выходной сигнал компаратора 11 скачкообразно меняется от 0 В до +15 В. Срабатывание токовой защиты зависит от выходного сигнала компаратора 11, который отключает перегруженный фидер. Меняя величину установленного значения напряжения U_уст, изменяют величину установленного значения напряжения срабатывания токовой защиты.

Предлагаемые осциллограммы (фиг. 3) получены путем записи выходного сигнала сумматора 10 при КЗ. Фазный ток i_a представлен кривой 14, «0» - нулевое значение напряжения - прямой 15. Кривая 16 изображает обобщенный параметр при возникновении трехфазного КЗ. До КЗ цепь была нагружена током примерно в 3 раза меньше, чем во время КЗ.

Приведенные примеры являются частными случаями и не исчерпывают всех возможных реализаций заявляемого изобретения.

Специалисту в данной области техники должно быть понятно, что различные вариации заявляемого способа не изменяют сущность изобретения, а лишь определяют его конкретные воплощения.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение быстродействия при определении момента времени перегрузки или короткого замыкания трехфазного источника. Способ защиты трехфазной сети от перегрузки и короткого замыкания заключается в том, что входные сигналы, пропорциональные мгновенным фазным токам, дифференцируют, после чего возводят в квадрат, полученные сигналы суммируют, получая обобщенный сигнал, который сравнивают с установленным значением напряжения, и в случае превышения обобщенным сигналом установленного значения напряжения посредством компаратора выдают сигнал на отключение перегруженного фидера. 3 ил.

Способ защиты трехфазной сети от перегрузки и короткого замыкания, характеризующийся тем, что входные сигналы, пропорциональные мгновенным фазным токам, дифференцируют, после чего возводят в квадрат, полученные сигналы суммируют, получая обобщенный сигнал, который сравнивают с установленным значением напряжения, и в случае превышения обобщенным сигналом установленного значения напряжения посредством компаратора выдают сигнал на отключение перегруженного фидера.