Устройство для защиты однофазной электрической сети переменного тока от коротких замыканий Советский патент 1987 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для защиты электрической сети от токов короткого замыкания.

Целью изобретения является повыше- 5 ние быстродействия защиты.

На фиг. 1 представлена функциональная схема одной из возможных реа- лиз.аций устройства; на фиг, 2 - пример

Блок 4 выделения приведенной производной содержит блок 20 дифференцирования, блок 21 запоминания максимальных значений, например пиковый детектор, и блок 22 деления. Входы блока 20 дифференцирования и блока 21 запоминания максимальных значений соединены с входом всего блока 4 выделения приведенной производной.

реализации блока запоминания макси- О Выход же этого блока 4 является выхомальных значении.

Датчик 1 тока через блок 2 выделения приведенной производной соединен с первым входом сравнивающего блока 3, второй вход которого через блок 4 выделения приведенной производной соединен с выходом генератора (формирователя) 5 эталонного синусоидального тока, вход которого через синхронизатор 6 соединен с выходом датчика 1 тока. Выход синхронизатора 6 соединен непосредственно с первым входом логического элемента ИЛИ 7, а через последовательно соединенные одно- вибратор 8 и выключатель 9 - с вторым входом логического элемента ИЛИ 7, выход которого соединен с вторым входом логического элемента И 10. Первый вход логического элемента И 10 через селектор 11 сигналов отрицательной по лярности соединен с выходом сравнивающего блока 3 и входом селектора 12 сигналов положительной полярности, выход которого соединен с вторым входом логического элемента ИЛИ 13 выход которого через ключ 14 соединен с управляемым входом исполнительного органа 15, а первьй вход - с входом логического элемента И 10. Управляемый вход ключа 14 через одновибратор 16 соединен с выходом задатчика команд на включение нагрузки (на фиг.2 не показан, чтобы не затруднить восприятие) .

Блок 2 выделения приведенной производной содержит блок 17 дифференцирования, блок 18 запоминания максимальных значений, блок 19 деления. Входы блока 17 дифференцирования и блока 18 запоминания максимальных значений являются входом всего блока 2 выделения приведенной производной. Выход же блока 2 является выходом

50 динен с вторым входом (входом возв та в исходное состояние) элемента 28 запоминания., Выход элемента 28 поминания через диод 37 и выход эл мента 29 запоминания через диод 38

блока 19 деления, первый вход которо- соединены с выходом блока 18 запо- го соединен с выходом блока 17 диффе- минания максимальных значений. ренцирования, а второй вход - с выходом блока 18 запоминания максимальУстройство работает следукяцим о разом.

ных значений.

Блок 4 выделения приведенной производной содержит блок 20 дифференцирования, блок 21 запоминания максимальных значений, например пиковый детектор, и блок 22 деления. Входы блока 20 дифференцирования и блока 21 запоминания максимальных значений соединены с входом всего блока 4 выделения приведенной производной.

Выход же этого блока 4 является выхо

дом блока 22 дедения, первый вход которого соединен с выходом блока 20 дифференцирования, а второй - с выходом блока 21 запоминания максимальных значений.

Генератор (формирователь) 5 эталонного синусоидального тока состоит из последовательно соединенных формирователя 23 импульсов (при необходимости) 5 триггера 24 со счетным входом, конденсатора 25, фильтра 26 и фазовращателя 27, причем вход формирователя 23 импульсов является входом генератора 5, выход фазовращателя 27 - его выходом.

Блок 18 запоминания максимальных значений, находящийся в канале измерения тока в сети, содержит (фиг.2) 0 два элемента 28 и 29 запоминания,

два нуль-органа 30 и 31, два элемента 32 и 33 задержки, инвертор 34 полярности (при необходимости) и четыре диода 35-38, причем вход блока 18

35 запоминания максимальных значений через диод 35 соединен с первым входом элемента 28 запоминания, первым входом нуль-органа 30 и через элемент 32 задержки с вторым входом нуль-ор40 гана 30. Выход нуль-органа 30 соединен с вторым входом (входом возврата в исходное состояние) элемента 29 запоминания. Первый вход элемента 29 запоминания через инвертор 34 по45 лярности соединен также через диод 36 с входом всего блока 18 запоминания максимальных значений, а через элемент 33 задержки с вторым входом нуль-органа 31, выход которого сое50 динен с вторым входом (входом возврата в исходное состояние) элемента 28 запоминания., Выход элемента 28 запоминания через диод 37 и выход элемента 29 запоминания через диод 38

соединены с выходом блока 18 запо- минания максимальных значений.

соединены с выходом блока 18 запо- минания максимальных значений.

Устройство работает следукяцим образом.

fO

С датчика 1 тока на синхронизатор 6 поступает информация о токе в сети, в частности о переходах тока в сети через нуль. В моменты перехода тока в сети через нуль на выходе.синхронизатора 6 появляется сигнал, кото- рьй поступает в генератор (формирователь) 5 эталонного синусоидального тока на вход формирователя 23 импульсов. Этот сигнал используется для формирования импульса необходимой aмплитvды и крутизны фронтов, которьй с выхода формирователя 23 импульсов поступает на счетный вход триггера 24, формирующего однополярную им- 5 пульсную последовательность со скважностью, равной двум.

Эта однополярная импульсная последовательность через конденсатор 25 (в результате чего исключается постоянная составляющая и последовательность становится двухполярной) подается на фильтр 26, рассчитанный а выделение основной частоты, котоой является рабочая частота сети. осле фильтра 26 синусоидальный сигнал проходит через фазовращатель 27, с помощью которого компенсируетя фазовый сдвиг между сформированым синусоидальным током и током в сети, который мог возникнуть при форировании указанного синусоидального тока.

20

25

30

При этом компенсирующий фазовращатель 27 настраивается один раз перед вводом в эксплуатацию устройства

Одновременно с поступлением на вход блока 5 сигнал с вьрсода синхронизатора 6 поступает на первый вход логического элемента ИЛИ 7, с выхода которого сигнал поступает на второй вход логического элемента И 10. Если в этот момент на первый вход логического элемента И 10 поступает. сигнал с выхода селектора 11 сигналов отрицательной полярности, несущий информацию о том, что в этот момент приведенная (относительная) крутизна тока в сети стала ниже приве- денной (относительной) крутизны 9та- лонного синусоидального тока, то на выходе логического элемента И 10 появится сигнал, который через логический элемент ИЛИ 13 поступит на информационный вход размыкающего ключа 14. В случае, если на управляемом входе размыкающего (нормальнозамкну- того) ключа 14 отсутствует сигнал от

fO

5

0

5

0

5

0

5

0

5

одновибратора 16, запущенного по команде от задатчика команд на включение нагрузки, то сигнал, поступивший на информационный вход ключа 14, пройдет на его выход, откуда поступит/на управляемый выход исполнительного органа 15, который отключит дефектный участок сети. В момент включения (отключения) нагрузки на вход одновибратора 16 поступает команда от задатчика команд на включение (и отключение) нагрузки, которая переводит одновибратор 16 в неустойчивое состояние.

В -результате этого ключ 14 размыкается, цепь управления исполнительным органом разрывается. Таким обра зом, исключаются ложные срабатывания исполнительного органа 15 от пусковых токов и изменения величины рабочего тока при выключении одной из нагрузок, если количество их в защищаемой зоне превышает одну.

В точке перехода через нуль или зоне перехода через нуль показателем начала режима короткого замыкания является установление факта превыше- ния крутизной эталонного синусоилаль- ного тока крутизны тока в сети.

В этом рлучае полярность сигнала рассогласования на выходе сравнивающего блока 3 такова, что срабатывает селектор 11 сигналов отрицательной полярности, и на его выходе появляется сигнал, поступающий на первый вход логического элемента И 10.

Если сигнал, несущий информацию о крутизне нарастания тока в сети, поступающий на второй вход сравнивающего блока 3, по абсолютной велкчи не больше, чем сигнал, несущий информацию о крутизне нарастания тока генератора 5 эталонното синусоидального сигнала, поступающего на первый вход сравнивающего блока 3, то си1- нал на выходе сравнивающего блока 3 имеет положительную полярность, в противном случае сигнал на выходе указанного элемента имеет отрицательную полярность. При равенстве сигналов, поступающих на входы сравнивающего блока 3, сигнал на его выходе равен нулю.

Для расширения времени сравнения крутизны рабочего и эталонного токов служит цепочка, состоящая из одновибратора 8 и выключателя 9. Если выклю

чатель 9 находится во включенном состоянии, время пребывания одновибрато- ра 8 в неустойчивом состоянии расширяет временную зону использования ре- зультатов сравнения сигналов о кру- тизнах рабочего и эталонного токов.

Вне указанных зон (зоны перехода тока через нуль или расширенной од- новибратором 8 зоны использования - в зависимости от того включен или выключен выключатель 9) указателем начала режима короткого замыкания является превьшзение крутизной тока в сети крутизны эталонного синусоидального тока..

В этом случае по сигналу рассогласования с выхода сравнивающего блока 3 (который будет на выходе иметь в этом случае сигнал положительной полярности) сработает селектор 12 сигналов положительной полярности, который выдаст сигнал на второй вход логического элемента ИЛИ 13. С выхода элемента ИЛИ 13 этот сигнал через ключ 24 (который замкнут при отсутствии команды на включение и отключение нагрузки) поступит на управляемый вход исполнительного органа 15, который отключит поврежденный участок сети.

Введение операции сравнения приведенных (нормированных, относительных) производных вызвано следующими причинами.

Обычно для сравнения 1 рутизны двух процессов непосредственно в результате их дифференцирования необходимо предварительно уравнить их экстремальные значения (диапазоны изменения их величин), что связано с большими сложностями, а в ряде случаев и просто невозможно, если (как это имеет место в электрической сети) ток контролируемого участка изменяется в широких пределах в нормальных (неава- рийных) условиях. Кроме того,: подобное уравнивание, т.е. подгонка эталонного тока к необходимой величине, связана с дополнительными временными затратами, что помешало бы быстродей- ствию защиты.

С целью повьш1ения достоверности измерения за счет исключения или с жения вероятности ложных срабатьша ний при уменьшении тока в силу при чин, не связанных с возникновением режима короткого замыкания, например отключением одной из нагрузок

Для исключения указанных недостатков вводятся операции (и соответствующие блоки) дифференцирования ве- ее фидера, с помощью которого энергия личины, пропорциональной току в сети, . подводится к нескольким нагрузкам, и эталонного тока, запоминание их амплитудных (максимальных) значений и деление указанных продифференцированблок выделения приведенной производ ной, находящийся в канале измерения рабочего тока в защищаемой электри5

0

5

j

O

30

35 40 45 50

ных величин на амплитудные (максимальные) значения каждого из сравни- ваемых процессов с последующим сравнением частных от деления между собой .

В этом случае исключается погрешность, обусловленная различием диапазонов изменения исследуемых токов, т.е. неравенством амплитудных (макси льных) значений сравниваемых токов. Если

-51 -5г { - Ч col cos(cot + Ц)),

где I - амплитудное значение тока; W - угловая частота; t - время; Ч - начальный угол,

то при определении приведенной (нормированной, относительной) производной путем деления продифференцированной величины на амплитудное значение будем иметь di

dt (j:)(f) I I tocos(cot + cp ).

Таким образом, величина К будет численно характеризовать крутизну исследуемого процесса, с размерностью 1/с.

Такое сравнение обладает несравненным преимуществом, давая возможность сравнивать крутизны (и их изменения) различных (даже по природе) процессов.

К

Указанные операции выполняются с помощью блоков 2 и 4 вьщеления приведенной крутизны и сравнивающего блока 3, полярность сигнала на выходе которого определяется тем, какая из сравниваемых крутизн в момент сравнивания больше по абсолютной величине. .

С целью повьш1ения достоверности измерения за счет исключения или снижения вероятности ложных срабатьша- ний при уменьшении тока в силу причин, не связанных с возникновением режима короткого замыкания, например отключением одной из нагрузок

фидера, с помощью которого энергия подводится к нескольким нагрузкам,

фидера, с помощью которого энергия подводится к нескольким нагрузкам,

блок выделения приведенной производной, находящийся в канале измерения рабочего тока в защищаемой электрической сети (блок 2) выполняется указанным образом.

Принцип его работы заключается в том, что через каждые полпериода се

тевого напряжения предшествующее мак- симальное значение тока в сети (экстремальное) с одного элемента запоминания стирается (он возвращается в исходное состояние), а на другом элементе запоминания записывается. Таким образом, через каждые полпериода происходит уточнение существующего в сети максимального значения тока. Поэтому, когда на входе одновибра-- тора 16 появляется кома нда (или ин- формация о команде) на включение или отключение нагрузки, и одновибратор 16, переходя в неустойчивое состоя- ние, разрывает с помощью размыкания

ключа 14 цепь управления исполнитель-20 мент 29 запоминания.

ного органа 15 (на время пребьгоания одновибратора 16 в неустойчивом состоянии) , за это время записанная в блоке 18 запоминания максимальная . величина тока в сети заведомо успеет уточниться в ту или иную сторону, и когда цепь.управления исполнительного органа 15 замыкается, то возможность прохождения по ней ложного сигнала (из-за уменьшения величины рабочего тока в сети) будет фактически исключена.

Работает блок 18 запоминания макЭлемент 33 задержк 31 также, как элемент и нуль-орган 30, совм функцию нахождения эк

2 рицательной полуволны на вход блока 18 запо жения. В момент дости мума отрицательной по ходе нуль-органа 31 п

30 пульсный сигнал, кото на второй вход элемен ния, переводит его в ние, а на выходе элем нания остается и запо

симальных значений следующим образом, j мальное значение, пропорциональное

Напряжение, пропорциональное току в сети, с выхода датчика 1 тока непрерывно поступает на вход блока 2 выделения приведенной производной, а в ней на вход блока 18 запоминания 40 максимальных значений. При этом положительная полуволна указанного напряжения через диод 35 поступает на вход элемента 28 запоминания, на первый вход нуль-органа 30 и через эле- 45 вает непрерывное присутствие на вы- мент 32 задержки на второй вход нуль- ходе блока 18 запоминания сигналов, органа 30. Элемент 32 задержки и нуль- орган 30 совместно выполняют функцию определения экстремума сигнала, поступившего на вход блока 18 запомина- 50 кия. В момент достижения максимал ьно- го (экстремального) значения положи тельной полуволны поступающего напряжения максимум этого напряжения записывается на элементе 28 запомина-55 ментами аналогового запоминания и в НИН и одновременно импульсный сиг- течение второй четверти периода каж- нал с выхода нуль-органа 30 поступа- дого очередного полупериода на вы- ет на второй вход элемента 29 запо- ходах обоих элементов 28 и 29 запоминания, переводя его в исходное минания одновременно присутствуют

максимальному значению тока в сети, которое и поступает через развязьшаю щий диод 38 на выход всего блока 18 запоминания максимальных значений-.

Это значение присутствует на выходе блока 18 запоминания также в те чение полупериода частоты сети. Далее циклы повторяются.

Предлагаемое изобретение обеспечи

пропорциональных максимальным значаниям тока в сети, так как через раз- вязьтающий диод 37 (или 38) всегда протекает ток от максимального сигнала в любой данный момент времени, запирающий другой из этих диодов. Поэтому несмотря на то, что элементы 28 и 29 запоминания являются эле}0

15

2251

состояние. Сигнал же с выхода элемента 28 запоминания в качестве сигнала, пропорционального максимальному значению тока в сети, поступает через развязывающий диод 37 на выход блока 18 запоминания максимальных значений в течение промежутка времени от положительного максимального значения, т.е. в течение полупе-- - риода.

При начале отрицательной полуволны напряжение, поступающее на вход блока 18 запоминания максимальных

значений, через диод 36 поступает уже на первый вход нуль-органа 31, элемент 33 задержки, на второй вход нуль-органа 31 и через инвертор 34 полярности с коэффициентом передачи амплитуды, равным единице, на элеЭлемент 33 задержки и нуль-орган. 31 также, как элемент 32 задержки и нуль-орган 30, совместно выполняют функцию нахождения экстремума, но отрицательной полуволны поступающего на вход блока 18 запоминания напряжения. В момент достижения экстремума отрицательной полуволной на выходе нуль-органа 31 появляется импульсный сигнал, который, поступая на второй вход элемента 28 запоминания, переводит его в исходное состояние, а на выходе элемента 29 запоминания остается и запоминается (аксивает непрерывное присутствие на вы- ходе блока 18 запоминания сигналов, ентами аналогового запоминания и в ечение второй четверти периода каж- ого очередного полупериода на вы- одах обоих элементов 28 и 29 запоинания одновременно присутствуют

максимальному значению тока в сети, которое и поступает через развязьшаю- щий диод 38 на выход всего блока 18 запоминания максимальных значений-.

Это значение присутствует на выходе блока 18 запоминания также в течение полупериода частоты сети. Далее циклы повторяются.

Предлагаемое изобретение обеспечивает непрерывное присутствие на вы- ходе блока 18 запоминания сигналов, ментами аналогового запоминания и в течение второй четверти периода каж- дого очередного полупериода на вы- ходах обоих элементов 28 и 29 запоминания одновременно присутствуют

пропорциональных максимальным значаниям тока в сети, так как через раз- вязьтающий диод 37 (или 38) всегда протекает ток от максимального сигнала в любой данный момент времени, запирающий другой из этих диодов. Поэтому несмотря на то, что элементы 28 и 29 запоминания являются эле9

напряжения (на одном - соответствующие максимальному, а на другом - меняющиеся в течение указанной четверти периода от минимального до максимального), на выход блока 18 запоминания поступает только одно максимальное напряжение.

12

Введение, уставки переменной крутизны - генератора (формирователя) 5 эталонного тока дает возможность повысить быстродействие защиты, так как позволяет практически мгновенно выделять начало режима короткого замыкания независимо от того в какой момент на каком участке восходящей и нисходящей ветви синусоиды рабочег тока сети возникло короткое замы-- канне.

Формула изобр етения

1. Устройство для защиты однофазной электрической сети переменного тока от коротких замыканий, содержащее датчик тока, включаемый в защищаемую сеть, выход датчика тока со€ динен с входом синхронизатора, выход которого соединен с первым входом первого логического элемента ИЛИ непосредственно, а с вторым его вхо

3.Устройство по П.1, отлич ющееся тем, что генератор эта лонного синусоидального тока выполнен в виде последовательно соединен ных формирователя импульсов, тригге

дом через последовательно соединенные первый одновибратор и выключа- тель, управляемый вход исполнительного органа подключен к выходу ключа, 35 ра со счетным входом, конденсатора, второй одновибратор, логический элефильтра и фазовращателя, при этом- . вход формирователя импульсов являет ся входом генератора эталонного синусоидального тока, а выход фазовра 4G щателя - его выходом.

мент И, первый выход которого соединен с выходом первого логического элемента ИЛИ, блок сравнения, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия защиты, дополнительно введены генератор эталонного синусоидального тока, два блока вьщеления приведенной пронзводной, селектор сигналов положитель-j|5 хронизатора, второй вход заземлен.

ной полярности, селектор сигналов отрицательной полярности, второй логический -элемент ИЛИ, при этом точка соединения выхода синхронизатора, входа первого логического элемента ИЛИ и входа первого одн.-)вибратора соединена с входом генератора эталонного синусоидального тока, выход которого через первый блок выделения . приведенной производной подкл очен к первому входу блока сравнения, точка соединения выхода датчика тока и входа синхронизатора через второй блок выделения приведенной производной

а выход - выходом синхронизатора.

5. Устройство по П.1, отлич ющееся тем, что, с целью повы шения достоверности защиты за счет

50 исключения ложных срабатываний, бло запоминания максимальных значении содержит два элемента запоминания, два нуль-органа, два элемента задержки, инвертор полярности и четыр

55 диода, при этом вход блока запомина ния максимальных значений через пер вый диод соединен с первым входом первого элемента запоминания, первы входом первого нуль-органа и через

fO

ЗО8225110

подсоединена к второму входу блока сравнения, выход блока сравнения через селектор сигналов отрицательной полярности подключен к второму входу логического элемента И, этот же выход через селектор сигналов поло- жительной полярности соединен с вторым входом второго логического элемента ИЛИ, первый вход которого подключен к выходу логического элемента И, управляемый вход ключа через второй одно- вибратор подсоединен к выходу задат- чика команд на включение, а выход второго логического элемента ИЛИ под- f5 ключен к информационному входу ключа.

2,Устройство ПОП.1, отличающееся тем, что блок вьще ления приведенной производной содержит блок дифференцирования, блок за20 поминания максимальных значений,

блок деления, причем вход всего блока выделения приведенной производной через блок дифференцирования соединен с первым входом блока деления, а че25 рез блок запоминания максимальных значений - с вторым входом блока деления, выход которого является выходом всего блока выделения приведенной производной.

3.Устройство по П.1, отличающееся тем, что генератор эталонного синусоидального тока выполнен в виде последовательно соединенных формирователя импульсов, тригге, 35 ра со счетным входом, конденсатора, ра со счетным входом, конденсатора,

фильтра и фазовращателя, при этом- вход формирователя импульсов является входом генератора эталонного синусоидального тока, а выход фазовра- щателя - его выходом.

4. Устройство по П.1, отличающееся тем, что синхронизатор

выполнен в виде нуль-органа, первый вход которого является входом сина выход - выходом синхронизатора.

5. Устройство по П.1, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности защиты за счет

исключения ложных срабатываний, блок запоминания максимальных значении содержит два элемента запоминания, два нуль-органа, два элемента задержки, инвертор полярности и четыре

диода, при этом вход блока запоминания максимальных значений через первый диод соединен с первым входом первого элемента запоминания, первым входом первого нуль-органа и через

первый элемент задержки с вторым входом (входом возврата в исходное состояние) второго элемента запоминания, первый вход которого соединен с выходом инвер тора полярности, вход которого соединен с nepBbiM входом второго нуль-органа, непосредственно, через второй диод, включенный обратно первому диоду, со входом блока запоминания максимальных значений, а через второй элемент заРедактор С.Патрушева

Составитель К.Шилан Техред А.Кравчук

Заказ 7280/54 Тираж 619 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул.Проектная, 4

82251 2

держки - с вторым входом второго нуль-органа, выход которого соединен со вторым входом (входом возврата в исходное состояние) первого ,5 элемента запоминания, выход которого через третий диод, также как и выход второго элемента запоминания через четвертьм диод, включенный согласно с третьим диодом, соединен с to выходом блока запоминания максималь- .ных значений.

Корректор С.Шекмар

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для защиты электрической сети от токов короткого замыкания. Целью изобретения является повьшение быстродействия защиты. Для этого в устройство дополнительно введены генератор эталонного синусоидального тока , 5, два блока выделения приведенной производной 2 и 4, селекторы 12 и 11 сигналов положительной и отрицательной полярностей, логический элемент И 10 и логический элемент ИЛИ 13. Это позволяет практически мгновенно определять начало режима короткого замыкания, независимо от того, в какой момент и на каком участке - восходящей или нисходящей ветви синусоиды рабочего тока сети возникло короткое замыкание. 4 з.п. ф-лы, 2 ил. S (Л у у Нагрузка (риг. 1 Нонанда на включение