Устройство для защиты фильтра высших гармоник Советский патент 1987 года по МПК H02H7/12 H02H7/16 

1-12

Изобретение относится к злектротех нике, в частности к релейной защите фильтров высших гармоник (ФВГ) преобразовательных подстанций передач постоянного тока, вставок постоянного тока, приводов крупных прокатных станов и дуговых сталеплавильных печей. Цель изобретения - повьшение надежности защиты и расширение функциональных возможностей устройства. На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства защиты фильт ра высших гармоник, на фиг. 2 - блок-схема блока сигнализации, на фиг.З - эпюры, поясняющие принцип действия устройства в нормальном режиме и в режиме повреждения ФВГ.

К питающей сети 1 подключается фильтр 2 высщих гармоник, состоящий из последовательно соединенных кон- денсаторной батареи 3 и силового реактора 4.

Устройство защиты содержит первый трансформатор 5 напряжения, подклю- ченньй к сети 1, второй трансформато

6напряжения, подключенньм к реактор 4 и конденсаторной батарее 3, датчик

7тока, включенньй последовательно

с фильтром 2 высших гармоник, первый сумматор .8, первый вход которого подключен к выходу первого трансформатор

5 напряжения, а второй- - к выходу второго трансформатора 6 напряжения, цепочку из последовательно соединенных перёого полосно-пропускающего фильтра 9, подключенного входом к выходу первого сумматора 8, первого выпряйителя 10 и первого блока 11 выборки и хранения, цепочку из последовательно соединенных второго полосно- пропускающего фильтра 12, подключенного входом к выходу второго трансформатора 6 напряжения, второго выпрямителя 13 и второго блока 14 выборки и хранения, цепочку из последовательно соединенных третьего полосно пропускающего фильтра 15, подключенного входом к выходу датчика 7 тока, третьего выпрямителя 16 и третьего блока 17 выборки и хранения, первый формирователь 18 прямоугольного напряжения, подключенный входом к выходу третьего выпрямителя 16, а вы

ходом - к управляющим входам первого и 38, первьй вход которого подключен 11 и второго 14 блоков выборки и хра- к выходу второго компаратора 36 и нения, второй формирователь 19 прямоугольного напряжения, подключенньй входом к выходу второго выпрямителя

к входу второго логического элемента И 37, четвертьй логический элемент И 39, первьй вход которого подключен

O

f5

13,

JQ

0

25

35

.Q

45

50

а выходом - к управляющему входу третьего блока 17 выборки и хранения, первый блок 20 деления, первьй вход которого соединен с выходом первого блока 11 выборки и хранения, второй блок 21 деления, первый вход которого соединен с выходом второго блока 14 выборки и хранения, а вторые входы обоих блоков деления присоединены к выходу третьего блока 17 выборки и хранения, второй сумматор 22, первьй вход которого подключен к выходу первого блока 20 деления, а второй вход- к .выходу второго блока 21 деления, реагирующий орган 23, вход которого соединен с выходом второго сумматора 22, первую логическую схему И 24, первый, второй и третий входы которой подключены соответственно к выходам реагирующего органа 23, второго блока 14 выборки и хранения и третьего блока 17 выборки и хранения, блок 25 задержки, подключенный входом к выходу первого логического элемента И 24, а выходом - к входу исполнительного органа 26, и блок 27 сигнализации, первый вход 28 которого соединен с выходом блока 25 задержки, второй вход 29 - с выходом второго блока выборки и хранения, третий вход 30 - с выходом второго сумматора 22, четвертый вход 31 - с выходом первого блока 20 деления, а пятьш |вход 32 - с выходом третьего блока i17 выборки и хранения.

Блок 27 сигнализации содержит вто- рор логический элемент И 33, первый и второй входы которого соединены соответственно с вторым 29 и пятым 32 входами блока 27 сигнализации, первьш компаратор 34, вход которого соединен с третьим входом 30 блока 27 сигнализации, а выход - с третьим входом второго логического элемента И 33, первый логический элемент НЕ 35, вход которого подключен к первому входу 28 блока 27 сигнализации, а выход - к четвертому входу второго логического элемента И 33, второй компаратор 36, вход которого соединен с четвертым входом 31 блока 27 сигнализации, второй логический элемент НЕ 37, третий логический элемент

38, первьй вход которого подключен выходу второго компаратора 36 и

входу второго логического элемента 37, четвертьй логический элемент 39, первьй вход которого подключен

к выходу второго логического элемента НЕ 37, а второй вход - к второму входу третьего логического элемента И 38 и к входу первого логического элемента НЕ 35, первый 40, второй 41 и третий 42 индикаторы, подключенные соответственно к выходам второго 33, третьего 38 и четвертого 39 логических элементов И, и измерительньш прибор 43, подключенный к,четвертому входу 31 блока 27 сигнализации.

В первом сумматоре 8 осуществляется формирование сигнала, пропорционального напряжению на конденсаторной батарее 3 и получаемого путем вычитаНИН напряжения на реакторе 4 (от второго трансформатора 6 напряжения) из напряжения сети 1 (от первого трансформатора 5 напряжения).

Полосно-пропускающие фильтры 9, 12 и 15 настроены на частоту резонанс фильтра 2 высших гармоник и вьщеляют напряжения этой частоты.

Формирователи 18 и 19 прямоугольного напряжения выполнены безгистере- зисными и с небольшим порогом срабатывания.

Напряжения на выходах формирователей 1 8 и 19 соответствуют высокому логическому уровню в интервалах превы шения входными напряжениями установленного порога и низкому логическому уровню вблизи нуля входных напряжений.

Блоки 11,14 и 17 выборки и кране- ния выполнены такими, что при наличии логической единицы на их управляющем входе они работают в режиме хранения предшествующей информации, а при появлении на управляющем входе логического нуля переходят в режим слежения и работают как повторители напряжения на рабочем входе.

Практическая реализация блока вы- борки и хранения может быть выполнена по стандартной схеме на операционном усилителе с запоминающим конденсатором в цепи отрицательной обратной свя связи и с полевым транзистором в ка- честве коммутирующего элемента на входе.

Блоки 20 и 21 деления формируют выходной сигнал, пропорциональный отношению выходных напряжений,

Блок 25 осуществляет задержку срабатьгоания исполнительного органа 26 на время t Ю мс с целью исключения ложных срабатываний от импульс-

,

25

О

тй 5 20са

-

-

35

г а - Q

ее

40

ных помех и переходных процессов в элементах схемы.

Исполнительньм орган 26 обеспечивает в течение заданного времени подачу команды на отключение фильтра высших гармоник от сети.

Блок 27 сигнализации выполняет функции световой индикации расстройки фильтра, не приводящей к срабатыванию защиты (индикатор 40), световой индикации поврежденного элемента фильтра 2 при срабатывании защиты (индикатор 41 при повреждении батареи конденсаторов 3 и индикатор 42 при повреждении реактора 4) и количественной оценки значения емкости конденсаторной батареи 3 по измерительному прибору 43 с той целью, чтобы при снижении емкости до заданного значения отключить фильтр 2 для замены вьш1едших из строя конденсаторов независимо от состояния индикатора 40, что предотвратит возможность лавинообразного повреждения всей конденсаторной батареи из-за недопустимого повышения напряжения на ее элементах.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме при исправных элементах фильтра 2, настроенного в резонанс на заданную частоту, на выходе первого сумматора 8 формируется напряжение, пропорциональное полному напряжению на конденсаторной батарее 3, получаемое как разность напряжения с выхода первого трансформатора 5 напряжения и напряжения с выхода второго трансформатора 6 напряжения.

I

Из напряжений с выхода первого

сумматора 8, с выхода второго транс- Форматора 6 напряжения и с выхода датчика 7 тока выделяются составляющие части настройки фильтра 2 высших гармоник соответственно в первом 9 (Ug), втором 12 (U,j ) и третьем 15 ( ) полосно-пропускающих фильтрах (Лиг.З).

После двухполупериодного выпрямления этих напряжений в блоках 10,13 и 16 напряжения с их выходов. Ц , 13 16 поступают на рабочие входы блоков 11,14 и 17 выборки и хранения. Кроме того, напряжения и,g и и,, поступают на входы формирователей 18 и 19 прямоугольного напряжения.

51297164

Напряжение с. выхода первого формнрователя 18 (U,. ) поступает на управ- &

ляющие входы первого 11 и второго 14 блоков выборки и хранения, а с выхода второго формирователя 19 (и ) - на управляющий вход третьего блока 17 выборки и хранения.

Вблизи переходов тока резонансной частоты ФВГ через нуль на выходе первого формирователя 18 прямоугольного jg ризуя степень его расстройки

При пробое единичного конд в конденсаторной батарее 3 ил шения ее, емкости в процессе ции сопротивление батареи на настройки фильтра 2 возраста зультате на выходе второго с 22 напряжение возрастает про нально изменению разности со ний элементов ФВГ ( з 4

напряжения формируются короткие сигналы низкого уровня, при наличии которых производится выборка напряжений, присутствующих на рабочих входах первого 11 и второго 14 блоков выборки и хранения.

Так- как напряжения резонансной частоты на конденсаторной батарее 3 и на реакторе 4 сдвинуты относительно тока ФВГ 2 на углы, близкие к +90 , то моменты выборки практически совпадают с максимумами напряжений 10 i Поэтому на выходах блоков 11 и 14 выборки и хранения формируются напряжения, пропорциональные модулям амплитудных значений входных сигналов или напряжений резонансной частоты на конденсаторной батарее 3 и реакторе 4 соответственно.

Если этот сигнал U недостаточен для срабатывания реагирующего органа 23 (ниже уставки защиты), но вызывает срабатывание первого компаратора 34

J5 в блоке 27 сигнализации (выше уставки коррекции), имеющего более высокую чувствительность, то срабатывания защиты не произойдет, а в блоке 27 сигнализации срабатывает индикатор. 40 требования коррекции ФВГ (подстройки в резонанс), так как на всех входах второго логического элемента И 33 имеются сигналы высокого уровня.

Аналогично эксплуатационное измене25 ние индуктивности реактора 3 приводит к возрастанию сигнала расстройки в результате чего также срабатывает первый индикатор 40.

20

гических элементов И поступает сигнал низкого уровня (логический нуль) от блока 25 задержки через первьй вход

В этих режимах индикаторы 41 и 42 Аналогично третий блок 17 выборки зо работать не будут, так как на вторые и хранения, управляемый формирователем входы третьего 38 и четвертого 39 ло- 19 прямоугольного напряжения, производит в каждом полупериоде выборку и хранение модуля амплитудных значений тока резонансной частот в ФВГ 2. э 28 блока 27 индикации. После выполнеВ блоках 20 и 21 осуществляется ния подстройки фильтра 2 схема при- деление сигналов, пропорциональных дет в исходное состояние. МОДУЛЯ амплитудных значений напряже- Если в результате повреждения НИИ соответственно на конденсаторной конденсаторной батареи 3 ее сопротив- батарее 3 и на реакторе 4, на модуль 0 ление Z на резонансной частоте, а амплитудного значения тока. В результате этого на выходе блока 20 формируется напряжение и, , пропорциональное емкостному сопротивлению конденследовательно, и напряжение U возросло настолько, что напряжение пропорциональное разности сопротивлений элементов ФВГ, превысило уставку

саторной батареи 3 (Z ), т.е. и„

/Ч.

дх, ..,, -20 45 срабатывания реагирующего органа 23 а на выходе блока 21 деле- (фиг.З после момента повреждения ФВГ),

ния - пропорциональное сопротивлению

и.. Ч. /Ч.

реактора 4 (2 ) , т.е.

В нормальном режиме на резонансной частоте ФВГ сопротивления Z , и Z имеют близкие значения.

Поэтому формируемая сумматором 22 разность напряжений U,. Ч

20 if

- Z

то .сигнал высокого уровня с его выхо да поступит на первьш вход первого логического элемента И 24. Так как 50 на двух других входах блока 24 уже присутствуют сигналы высокого уровня от блоков 14 и 17 выборки и хране ния, то произойдет запуск блока 25 задержки. Через заданное время t

пропорциональная разности Z

ниже уставки реагирующего органа 23 и 55 Ю мс сигнал высокого уровня с выпервого компаратора 34. В результате

не происходит срабатывания защиты

и индикаторов 40,41 и 42 в блоке 27

cигнaJШяaции.

хода блока 25 задержки (U,,) приведе к срабатьгаанию исполнительного органа 26 защиты, отключающего ФВГ 2 от сети 1.

6

ризуя степень его расстройки

При пробое единичного конденсатора в конденсаторной батарее 3 или уменьшения ее, емкости в процессе эксплуатации сопротивление батареи на частоте настройки фильтра 2 возрастает. В результате на выходе второго сумматора 22 напряжение возрастает пропорционально изменению разности сопротивлений элементов ФВГ ( з 4 арактеЕсли этот сигнал U недостаточен для срабатывания реагирующего органа 23 (ниже уставки защиты), но вызывает срабатывание первого компаратора 34

в блоке 27 сигнализации (выше уставки коррекции), имеющего более высокую чувствительность, то срабатывания защиты не произойдет, а в блоке 27 сигнализации срабатывает индикатор. 40 требования коррекции ФВГ (подстройки в резонанс), так как на всех входах второго логического элемента И 33 имеются сигналы высокого уровня.

Аналогично эксплуатационное изменение индуктивности реактора 3 приводит к возрастанию сигнала расстройки в результате чего также срабатывает первый индикатор 40.

гических элементов И поступает сигнал низкого уровня (логический нуль) от блока 25 задержки через первьй вход

В этих режимах индикаторы 41 и 42 работать не будут, так как на вторые входы третьего 38 и четвертого 39 ло- 28 блока 27 индикации. После выполнения подстройки фильтра 2 схема при- дет в исходное состояние. Если в результате повреждения конденсаторной батареи 3 ее сопротив- ление Z на резонансной частоте, а

следовательно, и напряжение U возросло настолько, что напряжение пропорциональное разности сопротивлений элементов ФВГ, превысило уставку

то .сигнал высокого уровня с его выхода поступит на первьш вход первого логического элемента И 24. Так как на двух других входах блока 24 уже присутствуют сигналы высокого уровня от блоков 14 и 17 выборки и хранения, то произойдет запуск блока 25 задержки. Через заданное время t

Ю мс сигнал высокого уровня с выхода блока 25 задержки (U,,) приведет к срабатьгаанию исполнительного органа 26 защиты, отключающего ФВГ 2 от сети 1.

Полное время срабатывания защиты tj от момента повреждения ФВГ может превысить -значение t на длительност одного полупериода частоты настройкг фильтра, если повреждение произошло сразу же после предшествующей выборк в блоках 11 и 14. Так как минимальная частота ФВГ составляет 250 Гц (5-я гармоника), то увеличение времени срабатывания по сравнению с t составит не более 2 мс.

Одновременно сигнал с выхода блока 25 задержки поступает через первьй вход 28 блока сигнализации на вторые входы третьего 38 и четвертого 39 логических элементов И непосредственно и на четвертьй вход второго логического элемента И 33 через первый логический элемент НЕ 35, наличие ,сигнала йизкого уровня на четвертом входе 31 обеспечивает сохранение нуля на его выходе и индикатор 40 не срабатывает.

С выхода первого блока 20 деления через четвертый вход 31 блока 27 сигнализации поступает напряжение U. пропорциональное возросшему значению Zj, приводящее к срабатыванию второго компаратора 36, уставка срабатьгоания которого выбирается как сумма Z , нормального режима и уставки срабатывания защиты (реагирующий орган 23).

При этом сигнал ВЫСОКОГО уровня с выхода компаратора 36 поступает на первьш вход третьего логического элемента И 38, что приводит к появлению сигнала высокого уровня на его

выходе, и индикатор 41 фиксирует неисправность конденсаторной батареи.

На первьш вход четвертого логического элемента И 39 через второй логический элемент НЕ 37 приходит сигнал низкого уровня, поэтому на вькоде элемента И 39 сохраняется сигнал низкого уровня и индикации о неисправности реактора 4 не происходит.

При возникновении виткового замыкания в реакторе 4 устройство работает аналогично режиму повреждения конденсаторной батареи 3. Отличие состо ит лишь в работе блока сигнализации 27. Так как при данном повреждении напряжение на выходе первого блока 20 деления не изменяется, то второй компаратор 36 в блоке 27 сигнализации не срабатывает,,что обеспечивает низкий уровень сигнала на первом входе третьего логического элемента И 38

5 tO

15 20

30

35

45

0

и ситчгап рыгокого уровня на первом входе четвертого логического элемента И 9, При этом индикатор 41 не возбудится, индикатор 42 зафиксирует неисправность реактора 4,

При неисправности в цепях второго трансформатора 6 напряжения или в цепях датчика 7 тока сигнал низкого уровня с выхода соответствующего блока 14 или 17 выборки и хранения пос- тупает соответственно на второй или третий вход первого логического элемента И 24, запрещая срабатывание защиты,- и соответственно на второй 29 или пятый 32 вход блока 27 сигнализации, запрещая работу индикатора 40.

Если отсутствует напряжение с выхода первого трансформатора 5 напряжения, то сигналы на выходах первого 20 и второго 21 блоков деления будут равны и также не произойдет изменений в поведении защиты и блока 27 сигна- лизации.

Предлагаемое устройство предназначено для защиты ФВГ, включаемых на напряжения 10-220 кБ, и позволяет повысить надежность защиты в различных режимах работы, а также оперативно производить подстройку фильтра на ре- зонанснзто частоту, быстро выявлять поврежденный элемент фильтра и контролировать состояние конденсаторной батареи с целью своевременного выполнения замены вьш1едших из строя конденсаторов в батарее. Это позволяет повысить эффективность работы фильтров высших гармоник, улучшая качество напряжения основной частоты в сети, а также снизить запас по конденсаторам, вводимьй для уменьшения

влияния повреждения одного конденсатора на общую емкость батареи.

Формула изобретения

1. Устройство для защиты фильтра высших гармоник, состоящего из последовательно соединенных конденсаторной батареи и силового реактора, содержащее первый трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключается к сети, в которую включен фильтр высших гармоник, второй трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключается к точке соединения конденсаторной батареи и силового реактора, первый сумматор, первый вход которого подключен к вторичной обмотке второго трансформатора напряжения, первый выпрямитель, второй сумматор, реагирующий орган, исполнительный рган, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности защиты и расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введены датчик тока фильтра, включаемый между силовым реактором и зем15

лей, три поло с но-про пускающих фильт- 0 го сумматора., второй вход - с выходом ра, настроенных на резонансную частоту фильтра высших гармоник, два вы- пpямиteля, два формирователя импульсов прямоугольного напряжения, три блока выборки и хранения, два блока деления, первый логический элемент И, блок задержки и блок сигнализации, при этом второй вход первого сумматора подсоединен к вторичной обмотке первого трансформатора напряжения, 20 а выход через последовательно соединенные первый полосно-пропускающий фильтр и первьй выпрямитель - к рабочему входу первого блока выборки и хранения, выход второго трансформато- ра напряжения через последовательно соединенные второй полосно-пропускающий фильтр и второй выпрямитель подключен к входу второго формирователя импульсов прямоугольного напряжения и к рабочему входу второго блока выборки и хранения, выход датчика тока через последовательно соединенные третий полосно-пропускающий фильтр

30

второго блока выборки и,хранения, с первым входом второго блока деления и с вторым входом первого логического элемента И, первый вход которого подключен к выходу реагирующего органа, а выход - к входу блока задержки, а выход второго блока деления соединен с вторым входом второго сумматора,

2. Устройство по п.1, о т л и - чающееся тем, что блок сигнализации содержит первый и второй компараторы, второй, третий и четвертый логические элементы И, первьй и второй логические элементы НЕ,первьй, второй и третий .индикаторы и измери- тельньй прибор, при этом первый вход блока сигнализации является входом первого логического элемента НЕ и соединен с вторыми входами третьего и четвертого логических элементов И, второй и пятьй входы блока сигнализации являются соответственно первым и вторым входами второго логического элемента И, третий вход которого поди третий выпрямитель подключен к вхо- 35 ключен к выходу первого компаратора,

ду первого формирователя прямоугольного напряжения и к рабочему входу третье,го блока выборки и хранения, управляющие входы первого и второго блоков выборки и хранения подключены к выходу первого формирователя импульсов прямоугольного напряжения, управляющий вход третьего блока выборки и хранения подключен к выходу второго формирователя прямоугольного напряжения, выход первого блока выборки и хранения подключен к первому входу первого блока деления, второй вход которого подключен к второму входу

четвертый к выходу первого логического элемента ЙЕ, а выходы - к входу первого индикатора, третий вход блока сигнализации является входом пер40 вого компаратора, четвертьй вход - входом второго компаратора и входом измерительного прибора, при этом вход второго логического элемента НЕ подключен к выходу второго компаратора

45 и к первому входу третьего логического элемента И, выход которого соединен с входом второго индикатора, а выход второго логического элемента НЕ под- ключен к первому входу четвертого

второго блока деления, к В1лходу тре- 0 логического элемента И, к. выходу кото- тьего блока выборки и хранения, к Рого подсоединен третий индикатор.

третьему входу первого логического элемента И и к пятому входу блока сигнализации, первый вход которого соединен с выходом блока задержки и с входом исполнительного органа, третий вход - с выходом второго сумматора и с входом реагирующего органа, четвертьй вход - с выходом первого блока деления и с первым входом второ

го сумматора., второй вход - с выходом

второго блока выборки и,хранения, с первым входом второго блока деления и с вторым входом первого логического элемента И, первый вход которого подключен к выходу реагирующего органа, а выход - к входу блока задержки, а выход второго блока деления соединен с вторым входом второго сумматора,

2. Устройство по п.1, о т л и - чающееся тем, что блок сигнализации содержит первый и второй компараторы, второй, третий и четвертый логические элементы И, первьй и второй логические элементы НЕ,первьй, второй и третий .индикаторы и измери- тельньй прибор, при этом первый вход блока сигнализации является входом первого логического элемента НЕ и соединен с вторыми входами третьего и четвертого логических элементов И, второй и пятьй входы блока сигнализации являются соответственно первым и вторым входами второго логического элемента И, третий вход которого подчетвертый к выходу первого логического элемента ЙЕ, а выходы - к входу первого индикатора, третий вход блока сигнализации является входом первого компаратора, четвертьй вход - входом второго компаратора и входом измерительного прибора, при этом вход второго логического элемента НЕ подключен к выходу второго компаратора

и к первому входу третьего логического элемента И, выход которого соединен с входом второго индикатора, а выход второго логического элемента НЕ под- ключен к первому входу четвертого

I/J %

Af.% t//sу„Д /,;

/X /л /Л

Д//Л,/Х /л /л /л /

ЛАДЛЧ/УУУУУУ

/«

ПППП

.%.%

Чстабка блом 2.3

Нонент повреждения батареи конденсата- род 6 ФВГ. .

Редактор

Фие.З

Составитель К. Шилан А. Лежнина Техред А.Кравчук Корректор С.Черни

Заказ 790/58Тираж 619 , Подписное

ВНРМПИ 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

П

/М.

ЖЕ

й гг

/г.д

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите фильтров высших гармоник (ФВГ) преобразовательных подстанций, передач постоянного тока, вставок постоянного тока, приводов крупных прокатных станов и дуговых сталеплавиль- - ных печей. Целью изобретения является повышение надежности защиты и упроще7 I . / ние обслуживания ФВГ. Указанная цель достигается введением в устройство защиты датч1 пса тока фильтра 7, трех по ло с но-про пус кающих филь тров 9,12, 15, настроенных на резонансную частот ту ФВГ, двух выпрямителей 13 и 16, двух формирователей прямоугольного напряжения 18,19, трех блоков выборки и хранения 11,14,17, двух блоков деления 20,21, первого логического элемента И 24, блока задержки 25 и блока сигнализации 27. Блок сигнализации 27 содержит первый и второй компараторы, три логических элемента И, два логических элемента НЕ, три индикатора и измерительный прибор. Устройство реагирует на изменение разности сопротивлений конденсаторной батареи и реактора с действием на отключение ФВГ от сети с одновременной индикацией, указывающей на поврежденный элемент, или с действием на сигнал требования коррекции элементов ФВГ (подстройки в резонанс). Предусмотрен контроль значения емкости (сопротивления) конденсаторной батареи. 1 з.п.ф-лы, 3 ил. (/) ksD ) а j: (pusf