Устройство для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью Советский патент 1983 года по МПК H02H3/16 

ды подключены к входу вновь введенного второго инвертирующего усилителя, подключенного своим выходом к интегратору и через резисторы обратной отрицательной связи к входам основных усилителей, при этом управляющий вход замыкающего ключа, установленного в кансше отрицательной полярности/ подключен к выходу вновь введенного первого триггера Шмитта, вход которого через вновь введенный первый дополнительный неинвертирующий усилитель подсоединен к выходу амплитудного ограничителя, установленного в цепи вспомогательного трансформатора тока, управляющий вход замыкающего ключа, установленного в канале положительной полярности, подключен к выходу вновь введенного второго триггера Шмитта, вход которого через вновь введенные и последовательно соединенные дополнительные второй неинвертирующий и третий инвертирующий усилители подключены также к выходу амплитудного ограничителя вспомогательного трансФорматора тока, инвертирующие входы всех неинвертирующих усилителей подключены к источнику опорного напряжения .

4, Устройство по п. 1, о т л ичающеес я тем,, что орган сравнения Фаз выполнен в виде одновходового компаратора сигналов на операционном усилителе, инвертирующий вход которого подключен к общему на все присоединения сумматору однополярных сигналов и к выходу соответствующего преобразователя напряжение-ток на транзисторе, вход которого через вновь введенный операционный усилитель подсоединен к выходу низкоомного потенциометра, включенного на выходе амплитудного ограничителя, подсоединенного к вторичной обмотке основного трансформатора ток нулевой последовательности.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для защиты от однофазного замыкания на землю в сетях переменного тока с малым током замыкания на землю. Известно устройство для направле ной защиты от однофазного замыкания на землю С Однако устройство может работать неселективно, так как может быть повреждено само опорное присоединение, относительно которого выявляет ся присоединение с замыканием на землю. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее основной трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП), установленный на защищаемом присоединении и вспомо гательный ТТНП, установленный на искусственно сформированном источнике емкостного тока (ИСИБТ)/ вторичные обмотки которых через амплитудные ограничители подключены к органу сравнения фаз (ОСФ), выполненному в виде блока совпадения и подключенному своим выходом к исполнительному органу (ИО) С2 3. Недостаток устройства состоит в том, что оно может действовать неселективно от сигналов помех а такж от сигналов небаланса обусловленных неидеитичностью угловых характеристи трансформаторов тока нулевой последоватёльности, несимметрией фаз сети относительно земли и т.д. Цель изобретения - повышение точности определения поврежденного присоединения и надежности функционирования устройства. Указанная цель достигается тем, что устройство, содержащее основной трансформатор тока нулевой последовательности/ установленный на защищаемом присоединении, и вспомогательный трансформатор тока, установленный на искусственно сформированном источнике емкостного тока, вторичные обмотки которых через амплитудные ограничители подключены к органу сравнения фаз, выход КОТОР9ГО связан с исполнительным органом, снабжено последовательно соединенными интегратором с замыкающим ключом/ компаратором, один из входов которого подключен к источнику опорного напряжения, элементом ПАМЯТЬ на RS-триггере, и подключенньм своим выходом к исполнительному органу, элементом совпадения с двумя входами/ один из которых подсоединен к выходу вновь введенного пускового органа, по нгшряжению нулевой последовательности, а другой - к выходу триггера, R вход которого через вновь введенный элемент НЕ подключен к выходу пускового органа, причем вход интегратора подсоединен к вьосоду органа сргшнения фаз, а управляющий вход згмакакщего ключа интегратора через вновь введенный элемент ИЛИ подсоединен к выходу своего элемента ПАМЯТЬ и выходам элементов ПАМЯТЬ остальных присоединений. При этом орган сравнения фаз може быть выполнен по трем вариантам, Орган сравнения по Г-му варианту содержит двухполупериодный управляе мый выпрямитель на диодном мостике, в.одни иэ плеч которого включены. эмиттер-коллекторные переходы транэисторов, коллектор-базовые цепи которых подключены к вторичным обмот кам вновь введенного управляющего трансформатора, первичная обмотка которого запитана от вторичной обмотки вспомогательного трансформатор тока, при этом вход мостика по пере менному току подключен к вторичной обмотке основного трансформатора то нулевой последовательности, а его выход подключен к одному иэ входов вновь введенного порогового усилите ля, другой вход которого подключен к источнику опорного напряжения, выход порогового усилителя является выходом органа сравнения фаз. Орган сравнения фаз по 1Г-му варианту содержит два замыкающих ключ и два основных неинвертирующих операционных усилителя, вход одного из них, установленного в канале отрицательной полярности, подключен к амплитудному ограничителю, установленному в цепи основного трансформа тора тока нулевой последовате 1ьност вход второго усилителя, установленного в канале положительной полярно ти, подключен к этому же ги«тлитудно му ограничителю через вновь введенный первый дополнительный инвертирующий усилитель, выходы обоих осно ных неинвертирующих усилителей через замыкающие ключи и разделительные диоды подключены к входу вновь введенного второго инвертирующего усилителя, подключенного своим выхо дом к интегратору и через резисторы отрицательной обратной связи к вхоДс1м основных усилителей, при зтгом управляющий вход заь1алкаюш,его клича, установленного в кангше отрицательной полярности, подключен к выходу вновь введенного первого -тригг ера Шмитта,- вход которого через вновь введенный первый дополнительный неинвертирующий усилитель подсоеди иен к выходу амплитудного ограничит ля, установленного в цепи вспомогательного трансформатора тока, управ ляющий вход замыкающего ключа, уста новленного в канале положительной полярности, подключен к выходу внов введенного второго триггера Шмитта, вход которого .через вновь введенные И последовательно соединенные второй дополнительный неинвертирующий ,и третий дополнительный инвертирующий усилители подключены также к выходу амплитудного ограничителя вспомогательного трансформатора тока,-инвертирующие входы всех неинвертирующих , усилителей подключены к,источнику опорного напряжения. Орган сравнения фаз по IIГ-му варианту выполнен в виде одновходового компаратора сигналов на операционном усилителе, инвертирующий вход которого подключен к общему на все присоединения сумматору однополярных сигналов и к выходу соответствующего преобразователя напряжение-ток на транзисторе, вход которого через вновь введенный .операционный усилитель подсоединен к выходу низкоомного потенциометра, включен- .- ного на выходе амплитудного ограничителя, подсоединенного к вторичной обмотке основного трансформатора тока нулевой последовательности. На фиг,1 представлено устройство для направленной защиты от замыкания на землю; на фиг.2 .и 3 - примеры выполнения органа сравнения фаз. Схема для устройства дана для одного присоединения. Устройство длянаправленной защиты от замыкания на землю содержит основной трансформатор 1 тока нулевой последовательности (ТТНП), установленный на защищаемом присоединении 2и вспомогательный трансформатор 3тока (ТТ), установленный в цепи искусственно сформированного источника 4емкостного тока (ИСИЕТ); орган 5 сравнения фаз (ОСФ), входы которого через амплитудные ограничители 6 и 7 подключены к вторичным обмоткам трансформаторов 1 и 3, а выход соединен с инвертирующим входом интегратора 8 с ключом 9; элемент ПАМЯТЬ 10, выполненный на RS-триггере, S-вход которого через компаратор 11 подсоединен к выходу интегратора 8, а R вход через элемент НЕ 12 - к выходу пускового органа (ПО) 13, подключенному к трансформатору напряжения нулевой последовательности (не показан) ; элемент ИЛИ 14, один вход которого Подключен к выходу элемента ПАМЯТЬ Ю, а другие входы - к выходам элементов ПАМЯТЬ остальных присоеди- нений {не показаны), выход элемента ИЛИ 14 подключен к управляющему входу ключа 9 и к управляющим входам ключей интеграторов других присоединений; источник опорного напряжения (ИОН) 15; ИО 16, связанный через элемент 17 совпадения с выходами элементов 10 и 13, ОСФ 5 по Г-му варианту состоит из двухполупериодного выпрямителя на диодах 18-21, управляющего трансформатора 22, транзисторов 23 и 24 и операционного усилителя 25.

Орган сравнения фаз по 11-му варианту (фиг.2) содержит замыкающие ключи 26 и 27f неинвертирующие 2831 и инвертирующие 32-34 операционные усилители, диоды 35-38, триггеры Шмитта 39 и 40.

Орган сравнения фаз по II1-му варианту (фиг.З) состоит из общего на все присоединения (показано-два сумматора 41 однополярных сигналов,включенного между минусовым выводом источника питания и общей входной шиной, транзисторных преобразователей 42 и 43 напряжение-ток, вход которых через диоды 44 и 45 подключены к выходгт операционных усилителей 46 и 47, неинвертирующие входы которых подсоединены к выходам низкоомных потенциометров амплитудного ограничителя 6 и 7, подключенных своими входами к основным трансформаторам 1 и 3 тока нулевой последовательности защищаемого присоединения 2 и 4, а инвертирующие входы усилителей 46 и 47 связаны с выходгиши транзисторных преобразователей 42 и 43 по схеме отрицательной обратной связи; одновходовых компараторов 48 и 49 сигнала на операционном усилителе, инвертирующие входы которых подсоединены к выходу сумматора 41 и к выходам транзисторных преобразователей 42 и 43, выходы компараторов 48 и 49 через диоды 50 и 51 соединены с интегратором (на фиг.З не показан).

В эмиттерную цепь транзисторных преобразователей 42 и 43 включен регулируемый резистор с малым сопротивлением/ часть напряжения с которого подается на инвертирующий вход операционного усилителя 46 (47) и который охватывается отрицательной обратной связью. Глубина этой связи и значение общего коэффициента передачи по току згшисят от отношения величины сопротивления регулируемой части резистора к его общей величине сопротивления.

Устройство работает следующим образом.

При отсутствии в сети однофазного замыкания на землю ПО 13 и ИО 16 находятся в исходном состоянии. Ключ 9 разомкнут. ИОН 15 включен.

При возникновении однофазного заквжания на землю, например, на присоединении 2, на выходах ТТНП I и ТТ 3 появляются сигналы, совпадающие по фазе (при правильно выбранной полярности вторичных обгжэток ТТНП I и ТТ 3). В зависимости от мгновенных направлений выходных сигналов амплитудных преобразователей 6 и 7 попеременно (в каждый из полупериодов) открывгиотся и закрываются транзисторы 23, 24 и диоды 19, 20, 18 и 21, В результате этого выходной сигнал

амплитудного преобразователя 6 выпрямляется и поступает на вход порогового усилителя 25. Если величина этого сигнала окгокется больше заданного уровня (порога) срабатывания усилителя, на его выходе появляется сглаженный сигнгш, который поступает на вход интегратора 8, напряжение на выходе которого изменяется по линейнрму закону. При достижении этим напряжением величины напряжения срабатывания компаратора 11 последний приходит в действие и переключает триггер 10 в единичное состояние. Ирм условии срабатывания ПО 13 на выходе элемента 17 совпадения появляется сигнал и происходит срабатывание исполнительного органа 16,действующего на отключение выключателя защищаемого присоединения 2 .

При внешнем по отношению к присоединению 2 замыкании на землю первичные токи замыкания на землю через трансформаторы 1 и 3 тока по фазе будут противоположны, и сигнал на выходе выпрямительного мостика на диодах 18-21 не появится, если сдвиг по фазе между ними будет равен или близок к нулю.

Если этот сдвиг не будет равен нулю, то на выходе мостика могут появляться импульсы, амплитуда и длительность которых зависят от величины фазового сдвига. Эти импульсы могут пройти на выход усилителя 25 при условии, если будут иметь амплитуду, превышающую уровень напряжения срабатывания усилителя. Такое возможно, например, в начальный переходный период однофазного замыкания на землю, характеризующийся появлением бросков емкостного тока на поврежденном присоединении и неповрежденных. Амплитуды зтих бросков могут в 30-40 раз превышать установившиеся значения. Однако, несмотря на появление сигнгша на выходе усилителя 25, ложного срабатывания устройства не происходит, так как, во-первых, сигнал на выходе интегратора 8 имеет линейную характеристику во-вторьос, для срабатывания компаратора 11 необходимо, чтобы выходное напряжение интегратора 8 достигло значения порога срабать1вания. Поэтом даже при максимально неблагоприятном сдвиге фаз сигналов (с точки зрения величины амплитУ;ЕЩ управляемого сигнала и его длительности) первым срабатывает устройство для защиты, установленное иа поврежденном присоединении, поскольку амплитуда и длительность входных сигналов, действующих в канале защиты поврежденного присоединения, являются, как правило, иаибольвшми по сравнению с амплитудой и длительностью сигнала в канале устройства для защиты, устаноьленного на неповрежденном присоединении.

При срабатывании защиты поврежденного присоединения через элемент ИЛИ 14 подается сигнал на управляющий вход ключа 9. в результате этого напряжения на выходах интеграторов становятся равными нулю. Р-абота. защиты блокируется. Только тЮслё исчезновения сигнала напряжения нулевой последовательности триггер 10 перек|ЛЮчается в нулевое состояние и устройство готово к новой работе.

Орган сравнения фаз по 11-му ва15ианту работает следующим образом.

При возникновении в сети однофазного замыкания на землю, например на присоединении 2f на выходах потенциометров амплитудных ограничителей .6 и 7 (фиг.2) появляются сигналы, пропорциональные токам нулевой последовательности. При их совпадении по фазе попеременно открываются ключ 26 и 27 и на выходе усилителя 34 появляется сигналг по модулю равный разности выходного сигнала амплитудного ограничителя 6 и доли напряжения ИОН 15.

В случае несовпадения сигналов по фазе ключи 26 и 27 не открьшаются и отсутствует сигнал на выходе усилителя 34. Сигнал на выходе данного усилителя отсутствует и в том случае, когда величина выходных сигналов ограничителей 6 и 7 ниже заданного значения (порога срабатываНИН усилителей 28-31).

Орган сравнения фаз по 111-му варианту работает следующим образом.

При возникновении в сети зависания на землю, например на присоединении 2, на выходах ограничителей 6 и 7 (низкоомных потенциометров) появляются сигналы, пропорциональные токам нулевой последовательности, которые подаются на неинвертирующие входы усилителей 46 и 47 и соответственно на входы преобразователей 42 и 43. Через сумматор (резистор) 41 начинает течь ток, пропорциональный сумме токов, текущих в выходных цепя преобразователей 42 и 43. Поскольку направление (фаза) токов на неповреждённых присоединениях всегда противоположно (а) направлению тока на поврежденном присоединении и поскольку на входы преобразователей 42 и 43 могут поступать лишь однополярные сигналы, то в выходной цепи сумматор 41 в один из полупериодов будет протекать преобразованный ток поврежденного присоединения 2, в другой полупериод - сумма токов нулевой последовательности всех неповрежденных присоединений, причем ток через поврежденное присоединение по величине всегда равен сумме токов неповрежденных присоединений и искусственно сформированного источника емкостного тока.

Орган сравнения фаз срабатывает при рёшенстве по абсолютной величине выходных сигнёшов сумматора 41 и преобразователя 42 (43).

Так как при замыкании на защищаемом присоединении эти сигналы всегда равны между собой, орган сравнения фаз работает правильно как в переходном, так и в установившемся режимах однофазного замыкания на землю.

При внешнем замыкании на землю в выходной цепи сумматора 41 протекает ГОК, равный сумме токов (отрицательных полуволн) всех присоединений, в этом случае выходной сигнал сумматора по модулю больше выходного сигнала любого преобразователя 42 (43) и орган сравнения фаз в действие не приходит.

При наличии искусственно сформированного источника емкостного тока орган сравнения фаз работает правильно и в том случае, когда в сети имеется всего лишь два присоединения, -так как при отсутствии источника определить направление поврежденного присоединения затруднительно (практически невозможно) в силу равенства величин токов через поврежденное и неповрежденное присоединение.

Введение в устройство для защиты от однофазного закльасания на землю интегратора, компаратора, элементов ПАМЯТЬ и ИЛИ, а также пускового органа позволяет обеспечить высокую точность ,и селективность работы защиты как в установившемся/ так и переходном режимах однофазного заичькания на землю. .

Выполнение органа сргшнения фаз на двухполупериодном упргшляемом выпрямителе (по I и П-му вариантам) позволяет снизить вторичную нагрузку трансфО1 4аторов тока нулевой последова±ельности до минимума и обеспечить их работу в режиме наименьшей угл(жой погрешности, а значит и повысить точность работы устройства для защиты в целом.

Выполнение органов сравнения фаз на операционных усилителях и транзисторах дает возможность при малых входных сигналах трансформаторов тока нулевой последовательности выполнить устройство для защиты более чувствительным и, кроме того, повышает технологичность его изготовления. При этом выполнение органа сравнения фаз по II1-му варианту требует наименьшего количества операционных усилителей.

9i,i.i

0tfl.