Устройство для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока Российский патент 2023 года по МПК H02H7/04 H02H3/08 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам защиты от обрыва вторичных цепей трансформатора тока, способных работать в автоматическом режиме для ограничения формирования перенапряжений при возникновении обрыва и перегрузки во вторичных цепях трансформатора тока и восстановления нормального режима работы трансформатора тока после устранения неисправности.

Известно устройство для защиты от обрывов вторичных цепей трансформаторов тока, содержащее трансформатор тока с одной первичной и тремя вторичными обмотками, первую, вторую и третью нагрузки вторичных цепей трансформаторов тока, промежуточный трансформатор с первой, второй и третьей первичными обмотками, а вторичная обмотка промежуточного трансформатора соединена с реагирующим органом, органом выдержки времени и с исполнительным органом, причем к первой вторичной обмотке трансформатора тока подключены последовательно соединенные первая нагрузка и первая первичная обмотка промежуточного трансформатора, ко второй вторичной обмотке трансформатора тока подключены последовательно соединенные вторая нагрузка и вторая первичная обмотка промежуточного трансформатора, к третьей вторичной обмотке трансформатора тока подключены третья нагрузка и третья первичная обмотка промежуточного трансформатора, первая и вторая первичные обмотки промежуточного трансформатора включены согласно, а третья обмотка включена встречно с первой и второй, отличающееся тем, что в устройство введена четвертая вторичная обмотка трансформатора тока, к которой подключены последовательно соединенные четвертая нагрузка и четвертая, включенная согласно с третьей обмоткой, первичная обмотка промежуточного трансформатора, причем первая, вторая, третья и четвертая первичные обмотки промежуточного трансформатора имеют одинаковое число витков, а первичная обмотка трансформатора тока включена между выключателем и линией электропередачи, питающей потребителей. Использование устройства позволяет обеспечить контроль целости вторичных цепей одновременно четырех вторичных обмоток трансформатора тока, имеющих одинаковый коэффициент трансформации (патент RU 2713880, МПК Н02Н 7/04 (2006.01), СПК Н02Н 7/04 (2019.08), G01R 31/02 (2019.08)).

Недостатки данного устройства состоят в отсутствии возможности напрямую обеспечить устранение обрыва вторичных цепей трансформатора тока ввиду того, что исполнительный орган устройства, согласно описанию изобретения, оповещает персонал об обрыве вторичной цепи трансформатора тока, а также в том, что у данного устройства возможны ложные срабатывания при возникновении разности величин токов во вторичных обмотка трансформатора тока из-за разных магнитных свойств магнитопроводов вторичных обмоток трансформатора тока.

Известно устройство для защиты от обрыва вторичных цепей трансформаторов тока, состоящее из трансформаторов тока, вторичные обмотки которых шунтируются защитным элементом, отличающееся тем, что с целью повышения надежности, защитный элемент состоит из последовательно соединенных симметричного стабилитрона или двух встречно включенных стабилитронов, регулировочного сопротивления и реле. Использование устройства позволяет обеспечить отключение электроустановки и подачу соответствующих сигналов при обрыве вторичной цепи трансформатора тока (патент SU 468331, МПК Н02Н 3/00).

Недостатками описанного устройства являются низкая надежность и длительное время срабатывания по причине использования электромагнитного реле, характеризующегося низкой надежностью ввиду наличия множества элементов в механической контактной системе реле и значимой величиной времени срабатывания реле, а также ограниченная применимость, так как отключение электроустановки при возникновении обрыва вторичных цепей трансформатора тока может являться недопустимым действием с точки зрения влияния на технологический процесс.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является устройство для защиты от обрыва вторичной цепи трансформатора тока, содержащее подключенный ко вторичной обмотке трансформатора тока ключ переменного тока и исполнительное реле, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия ключ переменного тока выполнен в виде тиристора, включенного в диагональ выпрямительного моста, подключенного ко вторичной обмотке трансформатора тока, между управляющим электродом и анодом тиристора включен стабилитрон с ограничивающим резистором, а в его анодную цепь последовательно включены исполнительное электромагнитное реле и конденсатор. Устройство обеспечивает нормальный режим работы трансформатора тока при обрыве его вторичных цепей за счет закорачивания вторичной обмотки трансформатора тока защитным элементом (тиристором) и включение индикаторной лампочки, указывающей на неисправность (патент SU 678576, МПК Н02Н 3/00, Н02Н 3/08).

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности автоматического восстановления предаварийного режима работы после ликвидации обрыва во вторичных цепях трансформатора тока, так как в прототипе конструктивно предусмотрены кнопки, нажатием которых производится восстановление исходного состояния устройства, что подразумевает необходимость вмешательства в работу устройства после его срабатывания. Также данное устройство характеризуется значительным числом входящих в его состав разнотипных элементов и приборов (диоды, стабилитрон, тиристор, реле, конденсатор, лампа, резисторы, кнопки управления), что негативно сказывается на надежности устройства в целом.

Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании устройства для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока, способного осуществлять автоматическую коммутацию вторичной обмотки накоротко в случае возникновения неисправности во вторичных цепях трансформатора тока и автоматическое восстановление исходного режима при устранении неисправности во вторичных цепях трансформатора тока с возможностью индикации срабатывания устройства защиты в период его действия.

Решение данной технической проблемы достигается тем, что в устройстве для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока, содержащем подключенный ко вторичной обмотке трансформатора тока ключ переменного тока, согласно изобретению, ключ переменного тока представлен симистором, первый катод которого связан с одним выводом вторичной обмотки трансформатора тока, а второй катод связан через индикатор срабатывания, в качестве которого использованы резистор и светодиод, со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора тока, а управляющий электрод симистора соединен со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора тока через симметричный динистор и токоограничивающий резистор, причем динистор выбран таким образом, чтобы обеспечивать коммутацию вторичной обмотки трансформатора тока накоротко ключом переменного тока при повышении сопротивления вторичных цепей трансформатора тока сверх допустимого значения, при этом устройство обеспечивает восстановление исходного режима работы в течение одного полупериода сетевого напряжения после устранения неисправности во вторичных цепях трансформатора тока.

Ограничение возникающих при обрыве или перегрузке вторичных цепей трансформатора тока перенапряжений обусловлено обеспечением автоматического срабатывания ключа переменного тока при превышении порогового значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора тока, приводящего к коммутации вторичной обмотки трансформатора тока накоротко. При этом ток замыкания вторичной обмотки трансформатора тока через устройство для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока протекает через индикатор срабатывания, чем обеспечивается указание на наличие неисправности.

Обеспечение возможности автоматического восстановления нормального режима работы после устранения неисправности во вторичных цепях трансформатора тока обусловлено тем, что устройство для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока автоматически отключается в конце каждого полупериода сетевого напряжения по причине снижения протекающего тока до нулевого значения и срабатывает вновь только при превышении порогового значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора тока. Таким образом, время автоматического восстановления нормального режима работы не превышает одного полупериода сетевого напряжения после устранения неисправности во вторичных цепях трансформатора тока.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежом, на котором изображена его схема электрическая принципиальная (фиг. 1).

Устройство для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока является электронным устройством, содержащим ряд элементов, а именно ключ переменного тока 1 (VS1), который является симистором, динистор 2 (VD1), являющийся симметричным, и резистор 3 (R1), образующие цепочку включения ключа переменного тока 1 (VS1), светодиод 4 (HL1) и резистор 5 (R2), образующие индикатор срабатывания устройства. Причем ключом переменного тока 1 (VS1) производится коммутация вторичной обмотки 6 трансформатора тока накоротко при превышении величиной напряжения на вторичной обмотке 6 трансформатора тока некоторого порогового значения.

Ключ переменного тока 1 (VS1), являющийся симистором, подключен первым катодом к клемме 7, к которой подключается один вывод вторичной обмотки 6 трансформатора тока, а вторым катодом к катоду светодиода 4 (HL1) и к первому выводу резистора 5 (R2), второй вывод которого соединен с анодом светодиода 4 (HL1) и подключается к клемме 8, к которой подключается второй вывод вторичной обмотки 6 трансформатора тока. Таким образом, подключение второго катода ключа переменного тока 1 (VS1) ко второму выводу вторичной обмотки 6 трансформатора тока производится через индикатор срабатывания устройства, представленный светодиодом 4 (HL1) и резистором 5 (R2).

Управляющий электрод ключа переменного тока 1 (VS1) подключается к первому катоду динистора 2 (VD1), второй катод которого соединен с одним выводом резистора 3 (R1), второй вывод которого подключается к клемме 8, к которой подключается второй вывод вторичной обмотки 6 трансформатора тока. Таким образом, подключение управляющего электрода ко второму выводу вторичной обмотки 6 трансформатора тока производится через динистор 2 (VD1) и резистор 3 (R1), причем резистор 3 (R1) является токоограничивающим для тока открывания симистора, являющегося ключом переменного тока 1 (VS1).

Протекающий через ключ переменного тока 1 (VS1) ток ограничен резистором 5 (R2), параллельно соединенным со светодиодом 4 (HL1). Параметры резистора 5 (R2) и светодиода 4 (HL1) подобраны таким образом, чтобы обеспечить видимое свечение светодиода 4 (HL1) во всем диапазоне допустимых токов первичной обмотки 9 трансформатора тока, а также обеспечить ограничение уровня напряжения на светодиоде 4 (HL1) при протекании в первичной обмотке 9 трансформатора тока токов недопустимой перегрузки и короткого замыкания на время, достаточное для срабатывания защиты.

Первичная обмотка 9 трансформатора тока согласно типовой схеме включения трансформатора тока подключается к силовой электрической сети через клеммы 10 и 11, являющимися выводами начала и конца первичной обмотки 9 трансформатора тока соответственно. При протекании переменного электрического тока через первичную обмотку 9 трансформатора тока происходит протекание соответственной величины переменного электрического тока (обусловленной коэффициентом трансформации) во вторичной обмотке 6 трансформатора тока. При этом нагрузка вторичной обмотки 6 трансформатора тока (вторичные цепи учета, защиты, измерений) подключается к выводам вторичной обмотки 6 трансформатора тока через клеммы 7 и 8. Таким образом, устройство для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока включено параллельно вторичным цепям защищаемого трансформатора тока.

Устройство для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока работает следующим образом. При протекании тока во вторичных цепях трансформатора тока образуется некоторое напряжение между выводами вторичной обмотки 6 трансформатора тока, которое снимается с клемм 7 и 8. Возникновение ненулевой величины напряжения между выводами вторичной обмотки 6 трансформатора тока обусловлено конечным ненулевым сопротивлением вторичных цепей нагрузки вторичной обмотки 6 трансформатора тока. Причем величина возникающего между выводами вторичной обмотки 6 трансформатора тока напряжения возрастает с увеличением сопротивления вторичных цепей трансформатора тока и стремится к напряжению источника питания первичных цепей 9 трансформатора тока при обрыве вторичных цепей трансформатора тока. Таким образом, превышение величиной напряжения между выводами вторичной обмотки 6 трансформатора тока некоторого порогового значения является однозначным свидетельством наличия неисправности, обусловленной обрывом вторичных цепей или их перегрузкой (недопустимым увеличением сопротивления, например, по причине последовательного подключения множества различных устройств). Напряжение между выводами вторичной обмотки 6 трансформатора тока при закрытом ключе переменного тока 1 (VS1) вне зависимости от полярности данного напряжения оказывается приложенным к катодам ключа переменного тока 1 (VS1) напрямую, а также к динистору 2 (VD1) через резистор 3 (R1) и переход «управляющий электрод - первый катод» симистора, являющегося ключом переменного тока 1 (VS1). Учитывая принцип работы симметричного динистора, переключение которого в проводящее состояние происходит при превышении напряжения на нем свыше напряжения отпирания, при достижении напряжением между выводами вторичной обмотки 6 трансформатора тока некоторого порогового значения произойдет его отпирание и обеспечится возможность для протекания тока вторичной обмотки 6 трансформатора тока по следующей цепочке: один вывод вторичной обмотки 6 трансформатора тока (клемма 7) - переход «управляющий электрод - первый катод» симистора, являющегося ключом переменного тока 1 (VS1) - динистор 2 (VD1) - резистор 3 (R1) - второй вывод обмотки 6 трансформатора тока (клемма 8). Протекающий по указанной цепочке ток ограничен резистором 3 (R1), однако его величины достаточно для включения ключа переменного тока 1 (VS1), после включения которого произойдет коммутация вторичной обмотки 6 трансформатора тока накоротко по следующей цепочке: один вывод вторичной обмотки 6 трансформатора тока (клемма 7) - переход «первый катод - второй катод» симистора, являющегося ключом переменного тока 1 (VS1) - резистор 5 (R2), параллельно соединенный со свето диодом 4 (HL1) - второй вывод обмотки 6 трансформатора тока (клемма 8). Протекающий по указанной цепочке ток ограничен резистором 5 (R2), однако его величины достаточно для поддержания устойчивого открытого состояния ключа переменного тока 1 (VS1) и для обеспечения свечения светодиода 4 (HL1). Открытое состояние ключа переменного тока 1 (VS1) сохранится до конца полупериода тока вторичной обмотки 6 трансформатора тока, после чего произойдет смена полярности тока и ключ переменного тока закроется. В следующем полупериоде тока вторичной обмотки 6 трансформатора тока в случае сохранения недопустимо высокого сопротивления вторичных цепей (в том числе обрыва) описанный выше процесс повторится, однако в случае устранения неисправности во вторичных цепях трансформатора устройство для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока не окажет влияния на вторичные цепи и на трансформатор тока. Индикация срабатывания защиты осуществляется светодиодом 4 (HL1), который мигает с частотой 50 Гц по причине однонаправленности пропускания тока короткого замыкания вторичной обмотки 6 трансформатора тока через ключ переменного тока 1 (VS1). При этом выход светодиода 4 (HL1) из строя по причине недопустимого повышения приложенного к нему напряжения (например, в аварийных режимах в первичных цепях трансформатора тока) не является критической неисправностью для устройства для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока и позволяет продолжать выполнять основную функцию устройства - ограничение возникающих перенапряжений при перегрузке и обрывах вторичных цепей.

Таким образом, применение данного устройства позволит в автоматическом режиме ограничивать формирование перенапряжений при возникновении обрыва и перегрузки во вторичных цепях трансформатора тока с индикацией возникновения неисправности, а также обеспечивать восстановление нормального режима работы трансформатора тока после устранения неисправности.

В представляемом устройстве решены недостатки, присущие устройству, выбранному в качестве прототипа, а именно: обеспечена возможность автоматического восстановления предаварийного режима работы после ликвидации обрыва (перегрузки) во вторичных цепях трансформатора тока, а также повышена надежность устройства за счет снижения количества, номенклатуры и типа элементов, применяемых в устройстве. Также исключено влияние устройства на вторичные цепи трансформатора тока и на режим работы трансформатора тока после устранения неисправностей во вторичных цепях трансформатора тока за счет незначительной величины токов утечки через полупроводниковые элементы (динистор, симистор) в закрытом режиме (единицы микроампер) по сравнению с рабочими токами трансформатора тока.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к устройствам защиты от обрыва вторичных цепей трансформатора тока, способных работать в автоматическом режиме для ограничения формирования перенапряжений при возникновении обрыва и перегрузки во вторичных цепях трансформатора тока и восстановления нормального режима работы трансформатора тока после устранения неисправности. Технический результат заявленного изобретения заключается в создании устройства для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока, способного осуществлять автоматическую коммутацию вторичной обмотки накоротко в случае возникновения неисправности во вторичных цепях трансформатора тока и автоматическое восстановление исходного режима при устранении неисправности во вторичных цепях трансформатора тока с возможностью индикации срабатывания устройства защиты в период его действия. Устройство содержит ключ переменного тока, цепочку включения ключа переменного тока и индикатор срабатывания устройства. Для подключения устройства используются выводные клеммы вторичной обмотки трансформатора тока. Обеспечена возможность работы с трансформаторами тока любого типа, возможна настройка устройства путем изменения параметров элементов схемы. Устройство способно осуществлять автоматическую коммутацию вторичной обмотки накоротко в случае возникновения неисправности во вторичных цепях трансформатора тока, таких как перегрузка и обрыв, а также автоматическое восстановление исходного режима при устранении неисправности с индикацией срабатывания устройства защиты. Исключено влияние устройства на вторичные цепи трансформатора тока и на режим работы трансформатора тока в нормальном режиме. 1 ил.

Устройство для защиты от обрыва и перегрузки вторичных цепей трансформатора тока, содержащее подключенный ко вторичной обмотке трансформатора тока ключ переменного тока, отличающееся тем, что ключ переменного тока представлен симистором, первый катод которого связан с одним выводом вторичной обмотки трансформатора тока, а второй катод связан через индикатор срабатывания, в качестве которого использованы резистор и светодиод, со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора тока, а управляющий электрод симистора соединен со вторым выводом вторичной обмотки трансформатора тока через симметричный динистор и токоограничивающий резистор, причем динистор выбран таким образом, чтобы обеспечивать коммутацию вторичной обмотки трансформатора тока накоротко ключом переменного тока при повышении сопротивления вторичных цепей трансформатора тока сверх допустимого значения, при этом устройство обеспечивает восстановление исходного режима работы в течение одного полупериода сетевого напряжения после устранения неисправности во вторичных цепях трансформатора тока.