Устройство для защиты от повреждений электрической сети Советский патент 1986 года по МПК H02H3/17 

Изобретение относится к эле ктротехнике и может быть использовано для защиты электрических сетей с изо лированной нейтралью, в том числе для горных машин с регулируемым элек троприводом, . Цель изобретения - повьппение точности и расширение функциональных возможностей путем защиты как от токов утечки, так и от коротких замыканий, . На чертеже приведено предлагаемое устройство, Устройство содержит генератор 1 оперативного напряжения с разделительным трансформатором 2 с тремя вторичными обмотками 3 5, фазосдвигающий блок 6, первый 7 и второй 8 конденсаторы присоединения (фильтры присоединения), первый 9 и второй 10 резисторы нагрузки, первый 11 и второй 12 делители напряжения, первый 13 и второй14 масштабные усилители первый 15 и второй 16 инверторы, пер вый 17 и второй 18 сумматоры, первый 19 и второй 20 линейные выпрямители перемножитель 21, первый интегратор 22, первый пороговый блок 23„ второй и третий интеграторы 24 и 25,, первый ключ 26 на транзисторах 27 и 28 и .третий 29 ичетвертый 30 делители напрялсе1шя, второй 31 и третий 32 ключи, второй 33 и третий 34 пороговые блоки, логический элемент И 35, исполнительный элемент 36 и эквивалент утечки сети 37, Первая 3 -д вторая 4 выходные обмотки трансформатора 2 включены в противофазе и угол сдвига фаз между напряжениями этих обмоток составляет li , Эти обмотки через конденсаторы 7 и 8 присоединения соединены с . разными полюсами контролируемой сети К третьей выходной обмотке 5 подключена фазосдвигающая RS-цепь ,6, обеспечивающая сдвиг входного сигнала на угол, близкий к ,, Делители 11 и 12 напряжения подключены между полюсами контролируемой сети и землей. Падение напряже шя между средними точками делителей 11 и 12 напряжения и землей пропорци ональны величине вдаодного н:апряжения преобразователя при отсутствии утечки между жилами силовой сети и землей. При наличии утечки между Силами силовой сети.и землей падение напряжения между средней точкой де24iлителя и землей возрастает на Величину, пропорциональную току утечки. Падение напряжения на резисторах 9 и 10 нагрузки пропорционально проводимости нагрузки и суммарному току утечки, создаваемому в сети генератором 1 оперативного напряжения и сетевым источником. Инверторы 15 и 16 слулсат для инвертирования падения напряжения на резисторах 9 и 10 нагрузки. Масштабные усилители 13 и 14 служат для усиления напрялсений, снимаемых с делителей 11 и 12, являющихся аналогом сетевого напряжения. Сумматоры 17 и 18 служат для суммирования сигналов с выхода усилителя 13 и инвертора 15, и усилителя 14 и инвертора 16, Коэффициенты усиления масштабных усилителей I3 и 14 выбираются такими, чтобы в отсутствие напряжения оперативного генератора сигналы на выходе сумматоров 17 и 18 были близки к нулю. С выхода сумматоров 17 и 18 сигналы подаются на линейные выпрямители 19 и 20, на выходе которых сигнал является вьшрямленным двухполупериодHbtM напряжением. Интеграторы 24 и 25, включенные на выходе линейных вьтрямителей, выполняют функции фильтров вьшрямленного напряжения. На выходе интеграторов 24 и 25 включен первый ключ 26 на транзисторах 27 и 28 разной проводимости и резистивн 1х делителях 29 и 30, Средняя точка делителя 26 напряжения на резисторах подключена к базам первого ключа 26, средняя точка делителя 30 - к эмиттерам первого ключа 26. В зависимости 6т соотношения выходных напряжений интеграторов 24 и 25 открывается одий, либо другой транзистор ключа 26, При открывании транзистора 27 открьшается второй ключ 31, подающий напряжение с выхода первого сумматора 17 на второй вход перемножителя 21, При открьюании транзистора 28 ключа 26 открьшается третий ключ 32, и на вход перемножителя 21 подается сигнал с выхода сумматора 18, Ключ 31 при этом запирается. На первый вход перемножителя 21 подается напряжение с обмотки 5 генератора 1, включенной последовательно с фазосдвигающей Н.3-цепью 6, На выходе перемножителя напряжение пропорционально произведению входных сигналов с учетом угла сдвига фазы между ними и равно V,,K.U,.U,costU,;U,). (1) где и, и и - выходные напряжения RS-цепи 6 и сумматора (17 или 18) соответст венно ; In - активная составляющая тока утечки, определя ющая сопротивление изоляции кабеля, Это напряжение подается на интег ратор 22, на выходе которого формируется напряжение, равное среднему значению за время измерения. Это на пряжение подается на пороговое устройство 23 и с его выхода - на исполнительный элемент 36. Сигналы с выхода интеграторов 24 и 25 параллельно подаются на второй и третий пороговые блоки 33 и 34 и с их выходов - на входы логической схемы И 35. При одновременном срабатывани пороговых блоков 33 и 34 на выходе логического элемента И 35 формирует ся сигнал на включение исполнительного элемента 36. Сущность предлагаемого изобрете.-. ния заключается в следугощем, С помощью генератора-1 формирует ся многофазное оперативное напряжение со сдвигом каждой фазы на угол Cf 21Г/т, где та - число фаз. Эти на пряжения накладывают независимо на каждую фазу- контролируемой сети и измеряют суммарные токи, создаваемы в цепи каждой фазы оперативным гене ратором 1 и сетевым источником. При этом токи, создаваемые сетевым источником, являются помехами для полезного сигнала, которым является ток, создаваемый в контролируемой сети оперативным генератором. Величина помехи изменяется в широких пределах. Форма кривой тока помех несинусоидальная с крутым передним фронтом и изменяется в значительных пределах в процессе регулирования режимов работы преобразователя. Поэ тому отстойка от действия помех является наиболее сложной задачей при разработке средств защиты электрических сетей с тиристорным электро приводом. Это обеспечивается формированием аналога сгетевого напряжения, создаваемого сетевым,источником между фа 244 зами (полюсами) силовой сети и земли. Сформированный аналог сетевого напряжения по величине и форме соответствует помехе, действующей в кана- лах измерения оперативных токов - в цепях обмоток оперативного генератора. Эти два сигнала - полньп ток в цепи фаз генератора оперативного напряжения и аналог сетевого напряже-ния, суммируют попарно в противофазе, предварительно проинвертировав один из этих сигналов. При этом суммируются сигналы измерительных цепей, подключенных к одной и той же фазе (полюсу) контролируемой сети. В результате на выходе сумматора помехи отсутствуют II действует только . полезный сигнал, пропорциональный току, создаваемому оперативным генератором 1 в контролируемой сети, При возникновении короткого замыкания в цепи нагрузки контролируемой сети значительно возрастает ток в цепи фаз оперативного генератора. При этом возрастает уровень полезного сигнала, и по достижении им порогового уровня формируют команду на отключение контролируемой сети. Причем эту команду формируют по достижении выходными сигналами сумматоров двух и более фаз генератора 1 orfepaтивного напряжения второго порогового уровня. Это условие обеспечивает требуемую .селективность действия защиты, Для обеспечения защиты от токов утечки определяется аварийная фаза контролируемой сети. Для этого определяют модули суммарных сигналов в цепи каждой фазы генератора оперативного напряжения и по большему значеншо суммарного сигнала вычисляют активную составляющую тока утечки, которая однозначно определяет величину сопротивления утечки в контролируемой сети, По достижении активной составляющей тока утечки аварийной фазы первого порогового уровня формируют команду на отключение напряжения в сети, В обесточенном состоянии контрблируемой сети включают генератор 1 оперативного напряжения. С помощью, выходных обмоток 3 и 4 генератора оперативного напряжения накладывается на полюса А и В контролируемой сети. При этом создается две цепи для оперативного тока: через нагрузку силовой сети - двигатель Д, и чеез сопротивление утечки и распредеенную емкость силовых жил относительно земли, Падение напряжений на резисторах 9 и 10 нагрузки, пропорциональное сумме проводимости нагруз- 5 и силовых жил и утечек жил кабеля, ерез инверторы 15 и 16 и сумматоры 17 и 18 поступает на вьшрямители 9 и 20 и с их выходов - на интеграторы 24 и 25. На выходе интеграторов 10 напряжение равно среднему за время измерения, например один период оперативного напряжения, Это напряжение одается на пороговые блоки 33 и 34 и параллельно на управляющие входы 15 первого ключа 26,.Напряжение с выхода третьего интегратора .25 подключено к базам транзисторов 27 и 28 ключа 26, напряжение с выхода интегратора 24 - к эмиттерам транзисторов 20 ключа 26, При превышении выходньи напряжением U, второго интегратора 24 выходного напряжение U третьего интегратора 25 открывается транзистор 27 ключа 26 и ключ 31, При 25 открывается транзистор 28 ключа 26 и ключ 32, В резульфате сигнал с выхода сумматоров подается на второй вход перемножителя 21,

При возникновении утечки в контроируемой сети за счет выпрямителей 19 и 20 и интеграторов 24 и 25 опре-: еляются модули полезных сигналов, с

омощью ключа 26 выбирается сигнал 35 с большим абсолютным значением и через ключи 31 ..или 32 выбранный сигнал одается на перемножитель 21, На перый вход перемножителя 21 подается сигнал оперативного генератора 1 с. 40 обмотки 5, первоначальная установка фазы напряжения которой обеспечивается фазосдвигающей RS-пепыо 6, Б соответствии с формулой (ij выходное напряжение перемножителя 21 пропор- 45 ционально активной составляющей тока утечки и, соответствеьшо, величине проводимости утечки жил кабеля,

С выхода перемножителя 21 сигнал подаетсяна интегратор 22, где вычйсля-50

ется среднее значение за период, и поступает на пороговый блок 23, При возникновении утечки напряжение на выходе интегратора 22 достигает величины первого порога срабатывания и на 55 выходе блока 23 формируется команда на включение исполнительного элемента 36, обеспечивающего отключение

питания, сети. При возникновении короткого замьжания в цепи нагрузки силовых жил увеличиваются токи одновременно в цепях обоих фаз генератора оперативного напряжения. При этом по указанным блокам сигналы поступают на второй и третий пороговый блоки 33 и 34, которые срабатывают, в результате на выходе логического элемента И 35 формируется команда на отключение питания контролируемой сети.

Предлагаемое устройство защиты сети в рабочем режиме обеспечивает предварительный контроль сети от коротких замыканий и от токов утечки до включения напряжения в силовую сеть,

При подаче на контролируемую сеть силового питания создаются цепи для возникновения помех в каналах измерения полезного сигнала полюсами-сети через устройства 7 и 8 присоеди нения, обмотки генератора Ij сопротивления 9 и 10 нагрузки, сопротивления утечки и распределенную емкост сети 37. Одновременно создается цепь формирования аналога сетевого напряжения с помощью делителей 1 ц 12, подлюченных к полюсам сети и земле. Напряжение аналога сетевого питания с делителей 11 и 12 подается на масштабные усилители 13 и Ч4, коэффициент l усиления которых устанавливают ИЗ условия обеспечения равенства напряжений на выходе усилителя 1 3 (14) и соответствуЮБвго ему инвертора при отсутствии полезного сигнала, В результате на выходе сумматоров 17 и 18 выходной сигнал близок к нулю. При включении генератора оперативного напряжения сигнал на выходе сумматоров будет содержать только полезный сигнал и не содержит помех, создаваемых в цепях измерения работой тирйсторньгх преобразователей, В дальнейшем работа устройства аналогична приведенному в обесточенном состоянии силовой сети,

Формулаизобретения

Устройство для защиты от повреждений электрической сети, содержащее генератор оперативного напряжения с разделительным трансформатором с выходными обмотками, первая из которых подключена к сети через первый фильт присоединения и через первый резистор нагрузки - к земле, а вторая обмотка подключена к фазосдвигающему блоку, выход которого через последовательно соединеи1 ые перемножитель, первый интегратор, первый пороговый элемент подключен к исполнительному элементу, п.ервый датчик аварийного параметра, подключенный между проводом сети -fi землей, отличающ е с я тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей путем защиты как от токов утечки, так и от коротких замыка ний, в него введены второй датчик аварийного параметра, подключенный между другим проводом сети и землей, первый и второй делители напряжения, первый и второй масштабные усилители, первый и второй инверторы, первый и второй сумматоры, первый и вто рой выпрямители, первый, второй и третий ключи, в-Ьорой и третий интеграторы, второй и третий пороговые элементы, при этом выходы последних, подключены к логическому элементу И, выход которого подключен к исполнительному элементу, а разделительный трансформатор генератора оперативного напряжения снабжен третьей обмоткой, подключенной встречно через дополнительный фильтр присоединения и дополнительный резистор нагрузки к другому проводу сети и земле, при этом к точке соединения резистора нагрузки и первой обмотки разделительного трансформатора подключен вход первого инвертора, а к точке соединения дополнительного резистора нагрузки и третьей обмотки разделительного трансформатора - вход вто- рого инвертора, к выходу каходого датчика аварийного параметра подключены входами первый и второй масштабные усилители соответственно, выход первого из которых соединен с выходом первого инвертора и подключен к входу первого сумматора, выход которого соединен через первый выпрямитель, второй интегратор с входом второго порогового элемента, вход второго масштабного усилителя соединен с выходом второго инвертора и подключен к входу второго сумматора, выход ко- торого соединен через второй выпрямитель, третий интегратор с входом третьего порогового элемента, при этом первый выход первого ключа соединен с управляющим входом второго, выходы которого включены между входом второго сумматора и вторым входом перемножителя, а второй выход второго ключа соединен с управляющим вхо дом третьего, вьпсоды которого рклю чаны между выходами третьего сумматора и вторым входом перемножителя, причем первьш д,елитеЯь напряжения подключен к выходу интегратора и земле, а его средняя точка -,к первому входу первого ключа, второй делитель напряжения подключен к выходу треть.его интегратора и земле, а его средк второму входу первого няя точка ключа.