Устройство для защиты от замыкания на землю в сети переменного тока Советский патент 1983 года по МПК H02H3/17 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ

В СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для осуществления зашиты от замыканий на землю и непрерывного контроля состояния изоляции высоковольтного оборудования электроустановок с большим числом присоединений в сетях с изолированной нейтралью, например собственных нужд 6-1О кВ блочных электростанций, распреде;Лительвых устройств генераторного напряжения ,д со сборными шинами, потребителей 6-1О кВ понизительных подстанций и т. п.

Известно устройство для защиты статора синхронного генератора, работающего в блоке с трансформатором, от за- j мыканий на корпус, работа которого осно-вана на принципе наложения постоянного контрольного напряжения. Устройство вме ет стопроцентную зону защиты ,.и . . позволяет количественно по показаниям 20 измерительного прибора, включенного последовательно с источником постоянного тока, оценить сумма торную величину сопротивления изоляции обмотки статора генератора, обмоток генераторного напряжения блочного трансформатора, трансфор матора собственных нужд, измерительных трансформаторов напряжения, токопрово дов генераторного напряжения ij.

Недостатком этого устройства являет ся неселективность, а именно, невозможность определ щя, в каком именно из контролируемых присоединений произошло замыкание на землю (в статоре генератора, в трансформаторе напряжения, в трансформаторе собственных нужд или в блочном трансформаторе), невозможность также по отдельное для кажАого из щшсоединений количесгвевно оценить состояние изоляции.

Известно также устройство содержащее трансформатор тока со встроенным в сердечник датчиком Холла для управл шя и измерительным прибором. При подключешш исполнительного органа устройство позволяет осуществить функцию защиты Однако это устройство не позволяет коитролировагь качество изоляции в процессе оксплуагации того или иного прироединения защищаемой сети, в частност абсорбционные характеристики. Целью изобретения является расширен функциональных возможностей путем конт роля абсорбционных характеристик сопротивлений. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для защиты от замыкания на землю в сети переменного тока, содержащее источник постоянного тока, подключенный через дроссель параллельно разделительному конденсатору, включенному последовательно с первичной обм (КОЙ трансформатора напряжения между землей и фазами защищаемой сети, из мерительный прибор, а также на каждом

крнтролируемом присоединении сети транс-2одвигатель б, подключенный через выклюформатор тока нулевой последовательности,чатель 7. Все три фазы двигателя 6 охвавторичная обмотка которого подключеначены магнитопроводом 8 трансформатора

к исполнительному органу, причем в маг-тока нулевой последовательности (дан в

нитопровод трансформатора тока нулевойразрезе) со вторичной обмоткой 9, к копоследовательности встроен датчик Холла, 25торой подключен исполнительный орган 10 ТОКОВЫЙ, выход которого через регулировочный резистор подключен к источнику управляющего тока, а потенциальный выход - к усилителю, введены блок фильтра ции постоянной составляющей, блок квантования тока по уровню, а также счетчик и сигнальные элементы, число которых определяется числом у|)овней кван.тования, причем вход блока фильтрации достоянной составляющей подключен к выходу усилителя, а выход - к измерите ному прибору и входу блока, квантования тока по уровню, сигнальные выходы которого подключены к входам сигнальных элетлентов, а счетные - к входам счетчиков. При этом блок квантования тока по уровню содержит входные пороговые элементы для каждого уровня квантования, выходы которых подключены к сигнальным выходам блока квантования тока по уровню, и логические элементы И, у каждого из которых первый вход подключен к выходу генератора тактовых импул сов, второй - к выходу соответствующег входного порогового элемента, а выход к счетному выходу блока квантования то ка по уровню, причем третий вход каждо го, кроме первого, логического элемента И через логический элемент НЕ подключен к выходу смежного входного порогового элемента. При этом блок фильтрации постоянной составляющей содержит дополнитель1036 ную вторичную обмотку трансформатора тока нулевой последовательности, подключенную через дополнительный усилитель и фазовращатель к первому входу сумматора, второй вход которого подключен к выходу основного усилителя, а выход сумматора подключен к частотному фильтру постоянной составляющей. На фиг. I приведен один из возможных вариантов вьшолнения устройства; на фиг. 2 - вариант вьтолнения блока фильтрации. Источник I постоянного тока разделительным дросселем 2 и конденсатором 3 подключен между землей и нейтралью первичной обмотки трансформатора напряжения 4, От системы сборных шин 5 питаются все присоединения. На фиг. 1 показано ТОЛЬКО одно присоединение - электросигнализации замь1кания на землю. В магнитопроводе 8 размещен датчик Холла 11, токовые выводы которого через резистор подключены к источнику управляющего тока {V ) 12. Потенциальные выводы датчика Холла через усилитель 13 и блок фильтрации 14 постоянной составляющей подключены ко входу блока квантования 15 тока по уровню и измерительному прибору 16, проградуированному в ед11Ницах сопротивления. К-сигналь ным выходам блока квантования 15 подключены сигнальные (или отключающие) элементы 17-20, а к счетным - счетчик 21-24, На фиг. I раскрыт один из возможных вариантов реализации блока квантования 15, содержащий пороговые элементы 25-28 с различными напряжениями срабатывания, логические элементы НЕ 29-31 и И 32-35, генератор тактовых импульсов 36. Устройство работает .следующим образом. Магнитный поток замыкающий по магНитопроводу 8 содержит две составляющие: переменную частотой 5О Гц и постоянную, определяемую постоянным током утечки- через изоляцию присоединения от источника 1 постоянного контрольного напряжения. Соответственно, на потенциальных выводах датчика Холла 11 появляется напряжение, содержащее две составляющие:переменную частотой 5О Гц и постоянную, которая пропоршюнальна индукции постоянного магнитного тока. Для подавления переменной составляющей на выходе датчик Холла служит фильтр 14, на выходе которого напряжение опре деляется только индукцией постоянного мапштногопотока, т, е.в конечном итоге, постоянным .током утечки через изоляцию присоединения. Измерительный при бор 16 (вольтметр) при постоянстве нап ляжения источника I (он может быть вьшолнён стабилизированным) проградуирован в единицах сопротивления, т. е. показания измерительного прибора 16 позволяют количественно судить d текущем значешш величины сопротивления изоляции канадого из присоединений по отдельности. При этом осуществляется непрерывный контроль. Пороговые элементы 25-28 имеют различные напряжения срабатывания. От элемента 25 к элементу 28 напряжения срабатывания уменьшаются. К выходам пороговых элементов 25-28 подключены сигнальные (или отключающие) элементы 172О, каждый из которых фиксирует достижение величиной сопротивления изоляции установленного уровня. Таким образом, с немощью сигнальных элементов 17-2О осуществляется более грубый (ступенчатый) контроль сопротивления изоля- шш по заранее установленным уровням. Для контроля времени работы каждого из присоединений с тем или иным уровнем сопротивления изоляции, т. е. для формирования гистограмм по величине сопротивления изоляции, служат логические элементы НЕ 29-31 и И 32-35, генератор тактовых импульсов 36 и счетчики 21-24. Гистогракялы формируются следующим образом. Пусть, например, сопротивление иэол5шии присоединения относительно велик и сработал только один пороговой элемент 28, что привело к появлению сигнала на од ном входе логического элемента И 35. На другом входе логического элемента И 35 также присутствует сигнал с выхода логического элемента НЕ 31, посколь ку пороговый элемент 27 не сработал при выбранном для примера значении сопротив леюга изоляции. Как только генератор так товых импульсов 36 подаст тактовый сиг нал на третий вход логического элемента И 35, появится сигнал на выходе логичес кого эли 1ента И 35 и счетчик 24 сработает и зафиксирует первый интервал времени работы присоединения с соответствующим ур1звнем сопротивления изоляции.Если далее сопр()гивле1ше изолящш присоед1П1ения в процессе эксплуатащш не меняется, то счетчик 24 каждый раз с появлением., тактового импульса срабатывает и его показания будут пропорциональны BpeNieHH работы присоединения с соответствующим уровнем сопротивления изоляции. Интервал времени между импульсами может быть выбран при необходимости любым (от секунд до минут и часов). ЕСЛИ же в процессе эксплуатации сопротивление изоляции уменьшится, т. е, например, кроме порогового элемента 28 срабатьгоает еще пороговый элемент 27, то на выходе логического элемента И 35 сигнал исчезает и счетчик 24 далее работать не будет, а счетчик 23 начнет фиксировать время работы присоединения с новым уровнем сопротивлишя изоляшп{. Помимо защиты от замыканий на землю, контроля за текущим значением сопротивления изоляции, формирования гистограмм по величине сопротивления устройсво позволяет также получить коэффициент абсорбции. Действительно, для каждого из контролируемых присоединений можно по измерительному прцбору 16 определить величины сопротивления изоляции через 15 и 6О с после подачи напряжения источником 1. Отношение этнх замеров, как известно, дает коэффициент абсорбшш. в некоторых случаях оказывается необходимым дополнительно уменьшить уровень пер ленной составляющей на входе пороговых элементов 25-28. С этой целью (фиг. 2) на магнитопроводе 8 трансформатора тока нулевой последовательности размещена дополнительная обмотка 37J связанная через г опопнительный усилитель 38 и фазовращатель 39 с одним из входов сумматора 4О. На другой вход сумматора 4О подан сигнал с потенциальных выводов датчика Холла II через усилитель 13. Выход сумматора 4О подключен к входу частотного фильтра 41 постоянной составляющей. В остальном структурн; схема аналогична устройству на фиг. 1. Особенность работы устройства на фиг. 2 заключается в следующем. Переменная составляющая на входе датчика Холла 11 совпадает по фазе с век-7 тором индукции пера «енной составляющей магнитного потока, циркулирующего в магнитопроводе 8, а ЭДС на зажимах дополнительной обмотки 37 сдвинута относительно того же вектора индукшш на 90 Фазоповоротное устройство 39 дополнительво меняет фазу сигнала на зажимах дополнительной обмогки еще на 9О° такчто сигналы на выходах фазоповоротного устройства 39 и усилителя 13 находятся в противофазе, т. е. на выходе сумматора 40оба этих племенных напряжения взаимно компенсируются. Переменная сосТавляпющая, подводимая ко входу фильтра 41значительно уменьшается. В част,ном случае, в устройстве на фиг, 2 может оказаться возможным отказаться от дополнительной обмотки 37, вход дополнительного усилителя 38 |при этом подключается к основной обмот ке 9 параллельно реле Ю, что упростит устройство. Однако при этом угол поворота, осуществляемый фазоповоротным устройством 39, отличен от 9О , Здесь следует учесть наличие угла сдвига фаз между ЭДС обмотки 9 и напряжением на ее зажимах, который определяется величиной и характером нагрузки ойуготки 9, значением тока нулевой последователь .. ности, параметрами трансформатора тока. Поскольку величина этого угла может ме няться в некоторых пределах, невозможно добиться той же полной ксжтенсации переменной составляющей во всех режимах, как в устройстве на фиг. 2. Возможен вариант выполнения устройс ва, который отличается от предыдущих тем, что позволяет осуществить пофазный контроль состояния изоляции и пофаз ную защиту от замыканий на эемлю. С этой целью выводы начала и конца фазы контролируемого высоковольтного оборудования, например фазной обмотки электр двига -еля 6, пропускают через окно магнитопровода 8 трансформатора тока с датчиком Холла. В этом случае намагн чивающим постоянным током для маГ нитопровода 8 является разность токов в начале и конце обмотки, т. е. постоянный ток утечки через изоляцию фазы, что к обеспечивает возможность осуществления пофазного контроля. В устройстве реализуется расщирение функциональных возможностей контроля, поскольку имеется возможность не только контролировать величину сопротивления изоляции, но также получать абсорбционные характеристики изоляции каждого отдельного присоединения и формировать гистограммы по величине сопротивления, что в целом дает более полную и дострверную оценку состояния изоляции по сравнению с прототипом. Использование предлагаемого устройс ва обеспечивает возможность осуществле ния пофазного контроля и защиты высоковольтного оборудования, что дает обслуживающему персоналу возможность для более полной и достоверной оценки состояния изоляции и анализа причин изменения свойств изоляции. Дополнительное преимущество заключается в том, что ограничение перенапряжений в целях защиты путем использования резистора вместо разделительного конденсатора в предлагаемом устройстве в отличие от прототипа не связано с загрублением контроля и защиты. Применение резистора повышает в целом надежность устройства поскольку повреждаемость резистора меньше, чем конденсатора. Формула изобретения 1.Устройство для защиты от замыкания на землю в сети переменного тока, сод жащее источник постоянного тока, подключенный через дроссель параллельно разделительному конденсатору, включенному последовательно с первичной обмоткой трансформатора напряжения между землей и фазами защищаемой сети, измерительный прибор, а также на каждом контролируемом присоединении сети .трансформатор тока нулевой последовательности вторичная обмотка которого подключена к исполнительному органу, причем в магнитопровод трансформатора тока нулевой последовательности встроен датчик Холла, токовый выход которси о через регулировочный резистор подключен к источнику управляющего тока, а поТйщиальный выход - к усилителю, отличающееся тем, что, с цепью расширения функциональных возможностей путем контроля абсорбционвсых характеристик сопрогавлений, в него введены блок фильтрации постоянной составляющей, блок квантования тока по уровню, а также счетчики и сигнальные эли |енты, число которых определяется числом уровней квантования, причем вход блока фильтрации постоянной составляющей подключен к выходу усилителя, а выход - к измерительному прибору и входу блока квантования тока по уровню, сигнальные выходы которого подключены к вхоцеал сигнальных элементов а счетные - к входам счетчиков. 2,Устройство поп. l,oтличaю ш е е с я тем, что блок квантования тока по уровню содержит входные эл« 1еиты для каждогоуровня квантования, выходы которых подключены к сигнальным выходам блока квантования гока по уровню, и логические элементы И, у каждого из которых первый вход .подключен к выходу генератора тактовых импульсов, второй к выходу соответствующего входного по-. рогового элемента, а выход - к счетному выходу блока квантования по уровню, причем третий вход каждого, кроме первого, логического элемента И через логический элемент НЕ подключен к выходу смежного входного элемента. 3. Устройство по п. I, отличают е е с я тем, что блок фиттьтращга постоянной составляющей содержит дополнительную вторичную обмотку трансформатора тока нулевой последовательности 100 36 подключенную через дополнительнЕ усилитель и фазовращатель к первому вжоду сумматора, второй вход которого подхлк чен к выходу основного усилителя, ei выход сумматора подключен к частотному фильтру постоянной составляющей. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 279758, кл. Н О2 Н 7/О6, 1970. 2.Меерович Э. А Андреевская Л. И. Объедков А. И. Малоинерционный измеритель больших постоянных системы ЭНИН им. Г. М. Кржижановского. - Электричество, № I, 1979, с. 6466.