Устройство для направленной защиты от замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью Советский патент 1984 года по МПК H02H3/16 H02H3/38 

Изобретение ртносится к электротехнике, а именно к устройствам направленной (но МОН1.НОСТИ нулевой последовательности) заниггы трехфазных сетей от замыканий фаз на зем.ио, и может использоваться в сетях с изолированной нейтралью. Известно устройство для направленной защиты от замыканий на землю в сети с изолированной нейтралью, содержащее фильтры в каналах напряжения и тока нулевой последовательности, фазочувствительный орган, дифференцирующую цепь и исполнительный орган 1. Недостаток устройства - низкая надежность селективного срабатывания при изменении температуры окружающей среды, вследствие независимых фазовых искажений сигналов в каналах напряжения и тока нулевой последовательности. Указанный недостаток обусловлен следующими причинами. Фазочувствительная схема выполнена на двух транзисторах различного типа проВОДИ1МОСТИ: п-р -п транзистор в канале тока нулевой последовательности является коллекторной нагрузкой р-п-р транзистора в канале напряжения нулевой последовательности. Эквивалентное сопротивление этой нагрузки зависит не только от мгновенного значения сигнала в канале тока нуевой последовательности, но также и от температуры окружающей среды. Поэтому фаза сигнала в канале тока нулевой носледовательности, при которой обеспечивается коэффициент усиления для короткого (нродифференцированного) импульса в канале напряжения нулевой последовательности, изменяется с изменением температуры. Несимметрия фазочувствительной схемы относительно фильтров в каналах напряжения и тока нулевой последовательности приводит к различной нагрузке на фильтры в этих каналах и создает дополнитель1П)1е фазовь е искажения. к1звестно также устройство, содержаniee датчики тока и напряжения нулевой последовательности, выходы которых соотвстствен1Ю подключены к носледовательно соединенным низкочастотному фильтру и усилите.чю-ограпичителю в канале тока и низкочастотному фильтру с усилителемч)-раничителем и дифференцирующей цепочкой fia выходе в канале напряжения, две пары встречно включенных диодов, входы которых подключены соответственно к выходу усилителя-ограничителя в канале тока и к дифференцирующей цепочке в канале напряжения, причем их аноды подключены к инвертирующему входу сумматора, а катоды - к неинвертирующему входу, которой ; заземлен через резистор 2. Недостатком известного устройства яв.тется неидентичность формирователей прямоугольных импульсов (усилителей-ограничителей) каналов напряжения н тока ну1,j левой последовательности и вызванные этим искажения разности фаз сравниваемых сигналов. Типичные уровни сигналов в каналах тока и НЕ пряжения составляют соответственно 0,05-3 В и 30-100 В, т.е. могут отличаться на 1-2 норядка. Поскольку для надежной работы устройства на входах сумматора должны быть близкие но величине сигналы, то коэффициенты усиления усилителей-ограничителей в каналах тока и нанряжения будут существенно отличаться. Это приведет к отличию и фазовых характеристик каналов, поскольку они относятся к устройствам минимальнофазового типа с жесткой зависимостью между амплитудой и фазовой характеристиками. Несимметрия усилительных цепей усугубляется несимметрией нагрузок каналов, носкольку капал напряжения нагружается на дифференцирующую цепь. Сигпалы в каналах напряжепия и тока не могут быть прямоугольными, а имеют форму входного сигнала (т.е. синусоидальную) на участке от пулевого уров1 я до уровня ограничения. Протяженность этого участка существенно зависит от уровня входного сигнала, а изменение выходного сопротивления усилителя-ограничителя при изменении температуры приводит к изменению нщрины и временного положения продиф(})еренцированного имиульса, что эквивалентно .чонолнительпым фазовым искажен и я .м. Цель изобретения - повышение надежности срабатывания устройства при изменении е.мпературы окружающ,ей среды. Поставленная цель достигается тем, что в устройство для нанравленной защиты от замыкания па землю в сети с изолированной нейтра.лью, содержапд,ее первый и второй фильтры низких частот, входы которых подключены к датчикам нанряжения и тока пулевой последовательности соответственно, а выход первого фильтра через носледоваTCjibHo соединенные первый конденсатор, первый 11О|)оговь Й формирователь прямоугольных импульсов, первый формирователь стандартного логического уровня, дифференцирующую цепочку подключен к нервому входу б.лока совпадения, нри этом выход второго фильтра через последовательно соединенные второй конденсатор, второй пороговый формирователь прямоуго.мьных импульсов, второй ({формирователь стандартного логического уровня подключен к второму входу блока совпадения, выход которого соединен с иснолпительны.м органом, каждый из пороговых формирователей прямоугольных импульсов вынолнен в виде резисторного делителя, образованно1о первым и вторым резисторами, третьего копденсатора третьего резистора, и трапзистора, причем входом указанного фор.мирователя служит точка соединения эмиттерного входа

транзистора, средней точки резистивного делителя и первого вывода третьего конденсатора, второй вывод которого заземлен вместе с вторым выводом резистивного делителя, а базовьЕЙ вывод указанного транзистора через третий резистор соединен с первым выводом резистивного делителя и является входом питания по постоянному току, при этом коллекторный вход транзистора является выходом формирователя.

На фиг. 1 показана функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2- 6 - графики, поясняющие его работу.

Устройство содержит первый и второй LC-фильтры 1 и 2 низких частот, разделительные первый и второй конденсаторы 3 и 4, первый и второй пороговые формирователи 5 и 6 прямоугольных импульсов, первый и второй формирователи 7 и 8 стандартного логического уровня, дифференцирующую цепочку 9, состоящую из конденсатора и резистора, блок 10 совпадения, исполнительный орган 11, состоящий из транзистора, тиристора, блок-контакта и катушки отключения высоковольтного выключателя, блок 12 питания, а каждый из пороговых формирователей 5 и 6 прямоугольных импульсов содержит резистивный делитель, образованный первым и вторым резисторами 13 и 14, третий конденсатор 15, третий резистор 16 и транзистор 17.

Статический режим формирователя задается резистивным делителем и третьим резистором, а скорость переключения определяется третьим конденсатором 15.

Устройство работает следующим образом

Сигналы напряжения и тока нулевой последовательности поступают на фильтры I и 2, в которых подавляются высокочастотные составляющие напряжения. С выхода фильтров через разделительные конденсаторы 3 и 4 сигналы подаются на идентичные пороговые формирователи 5 и 6 прямоугольных импульсов, работу которых расс.мотРИМ на примере формирователя 5.

Исходный статический режим формирователя 5 задается делителем на резисторах 13 и 14 и резистором 16 с таким расчетом, чтобы при отсутствии входного сигнала эмиттерный переход формирователя 5 был снабжен в обратном направлении. При этом коллекторный переход смещен в пря.мо.м направлении (инверсный режим транзистора) и ток перехода проходит на вход формирователя 7 стандартного логического уровня.

В момент tf перехода напряжения в канале напряжения нулевой последовательности через ноль (фиг. 2) эмиттерный переход формирователя 5 смещается в прямом направлении, а коллекторный - в обратном. При этом имеет место следующий механиз.м формирования прямоугольного импульса с крутым передним фронтом. При переключении эмпттерного перехода транзистора в режим прямого смеще}1ия в базу поступают носители заряда - электроны. В результате заполнения области пространственного заряда электронами область объемного заряда (неподвижные заряды кристаллической решетки) сужается. Это приводит к резкому увеличению емкости эмиттериого переходя. Последняя вместе с конденсатором 15 образует емкостной делитель. Бросок тока через него приводит к резкому отключению коллекторного перехода, что обеспечивает получение импульса с крутым фронтом.

Скачок тока на входе формирователя 8 стандартно1Ч) ,ioiii4ecKoro уровня приводит к появлению на сто выходе стандартизованного по амп.шгуле 1мпу, - сигнала логическо единицы (фи1. 3). После дифференцирования цепью 9 и блоком 10 образуется короткий импульс, а.мплитуда которого по-прежнему соответствует уровню логической единицы (фиг. 6).

В канале тока нулевой последовательности на отрицательной полуволне сигнала прямоугольный импульс формируется аналогично (фиг. 4 и 5). Передний и задний фронты этого импульса получаются в моменты iz и t} перехода неременного напряжения через нуль.

Из приведенных на фиг. 2 и 4 вре.менных диаграмм сигналов видно, что напряжение Llo в канале тока опережает нанряженпе UuoB канале напряжения на угол V (аварийная ситуация).

Короткий импульсидиф.(фнг. 6) оказывается внутри интервала (tj и tj), занимаемого широким импульсом Црз. В результате на выходе блока 10 совпадения появится импульс, который отключает выключатель.

Предлагаемое устройство обеспечивает повьипение надежности селективного срабатывания защиты при изменении питающей температуры. Благодаря идентичности пороговых формирователей 5 и 6 смещение их пороговых уровней под действием дестабилизирующих факторов происходит в одну сторону. В результате в одну сторону смещаются передние фронты нрямоугольных импу.чьсов (пунктир на фиг. 3 и 5). Поскольку предлагаемое построение пороговых формирователей прямоугольных импульсов обеспечивает получение длительности фронтов на уровне долей микросекунды, разность фаз на входах схемы совпадения остается стабильной п равной разности фаз между сигналами напряжения п тока нулевой последовательности на входе устройства. Идентичность пороговых формирователей прямоугольных импульсов обеспечивается их интегральным исполнением в одной микросхеме, например К158ЛАЗ.

Фиг.. 6

УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ, содержащее первый и второй фильтры низких частот, в.ходы которых подключены к датчикам напряжения и тока нулевой последовательности соответствено, а выход первого фильтра через последовательно соединенные первый конденсатор, первый пороговый формирователь прямоугольных импульсов, первый формирователь стандартного логического уровня и дифференцирующую цепочку подключен к первог му входу блока совпадения, при этом выход второго фильтра через последовательно соединенные второй конденсатор, второй пороговый формирователь прямоугольных импульсов и второй формирователь стапдартного логического уровня подключен к второму входу блока совпадения, выход которого соединен с исполнительным органом, отличающееся тем, что, с целью повьинепия надежности срабатывания устройства при изменении температуры окружающе среды, каждый из пороговых формирователей прямоугольных импульсов выполнен в виде резистивного делителя, образоваиного нервым и вторым резисторами, третьего конденсатора, третьего резистора и транзистора, причем входом указанного формирователя служит точка соединения эмиттерного входа транзистора средней точки резистивного делителя и первого вывода третьего конденсатора, второй вывод которого заземлен вместе с вторым выводом резистивиого делителя, а базовый вывод указанного транзистора через третий резистор соединен с первым выводом резнстивного делителя и является входом питания по постоянному току, при этом ко,1,текторный вход транзистора является выходом формирователя.