Устройство для защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока Советский патент 1987 года по МПК H02H3/16 

дом первого логического элемента И, элемент задержки, причем второй выход первого блока времени соединен с вторым входом второго логического элемента И, выход первого счетчика импульсов соединен с шестым входом первого логического элемента И, вто рой выход второго блока времени соединен с вторым входом третьего логического элемента И, выход второго счетчика импульсов соединен с седьмым входом первого логического элемента И, третий выход первогр блока времени соединен с вторым входом третьего блока времени, элемент задержки.включен мезкду выходом преобразователя переменного напряжения в постоянное и вторым входом двухуровневогб компаратора сигналов.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что первый блок времени содержит последовательно соединенные подключенньш к входу этого блока формирователь коротких импульсов, счетчик импульсов и логический элемент И, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, генератор импульсов, вход которого соединен с входом первого блока времени, первый выход - с вторым входом логического элемента И, вт орой выход - с третьим выходом пер1

Изобретение относится к электротехнике, в частности к защите электрических сетей, и предназначено для работы в электрических сетях с изолированной или компенсированной нейтралью.

Цель изобретения - повьшение помехоустойчивости и селективности действия защиты путем блокировки работы устройства при колебаниях напряжения нулевой последовательности сети и высокочастотных колебаниях в каналах напряжения или тока. .

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства защиты; на фит. 2 - 4 - функциональные схемы первого, второго и третьего блоков времени соответственно; на

вого блока времени, первый выход первого блока времени соединен с выходо счетчика импульсов, а второй выход - с выходом формирователя коротких импульсов .

3.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что второй бло времени содержит последовательно соединенные подключенный к входу этого блока формирователь коротких импульсов, счетчик импульсов и логический элемент И, выход которого соединен

со счетным входом счетчика импульсов генератор импульсов, включенный между входом второго блока времени и вторым входом логического элемента И, первый выход второго блока времени соединен с выходом счетчика импульсов, а второй выход - с выходом формирователя коро ки л--11 7- ьсов.

4.Устройство по п. 1, отличающееся тем, что третий блок времени содержит последовательно соединенные подключенный к первому входу этого блока счетчик импульсов и логический элемент И, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов а второй вход логического элемента И - с вторым- входом третьего блока времени, второй выход счетчика импульсов соединен с выходом третьего блока времени.

фиг. 5 и б - диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства защиты.

К трансформатору 1 напряжения нулевой последовательности сети подключе ны последовательно соединенные фазо- : сдвигающий блок 2, первый формирователь 3 прямоугольных импульсов, первый блок 4 времени, первый логический

Q элемент И 5, интегрирующий усилитель. 6, релейный усилитель 7 и исполнительный орган 8. К трансформатору 1 напряжения подключены также последовательно соединенные первьш пороговый

15 орган. 9, блок 10 выдержки времени, выход которого подключен к второму входу первого логического элемента И 5. К трансформатору 11 тока нулевой последовательности подключены после

довательно соединенные фильтр 12 основной частоты, второй формирователь 13 прямоугольных импульсов, второй блок 14 времени, выход которого соединен с третьим входом первого логического элемента И 5.

К выходу первого формирователя 3 прямоугольных импульсов подключены последовательно соединенные первый фильтр 15 постоянной составляющей, первый счетчик 16 импульсов и второй логический элемент И 17, второй вход которого соединен с вторым выходом первого блока 4 времени, а выход - со счетным входом первого счетчика 16 импульсов. Выход последнего подключен к шестому входу первого логического элемента И 5.

К выходу второго формирователя 13 прямоугольных импульсов подключены последовательно соединенные второй фильтр 18 постоянной составляющей, второй счетчик 19 импульсов и третий логический элемент И 20, второй вход которого подключен к второму выходу второго блока 14 времени, а выход - к счетному входу второго счетчика 19 импульсов. Выход последнего соединен с седьмым входом первого логичес кого элемента И 5. К выходу фильтра 12 основной частоты подключены последовательно соединенные первый усилитель 21, второй пороговый орган 22 и преобразователь 23 импульсов в напряжение постоянного уровня, выход которого подключен к четвертому входу логического элемента И 5.

К трансформатору 1 напряжения ну

левой последовательности сети подключены последовательно соединенные преобразователь 24 переменного напряжения в постоянное, второй усилитель 25, двухуровневый компаратор 26 сигналов, выход которого подключен к пя- тому входу первого логического элемента И 5 . Между выходом преобразователя 24 и вторым входом компаратора 26 включен элемент 27 задержки.

Параллельно интегрирующему уснли- телю 6 подключен замыкающий ключ 28. К выходу первого логического элемента И 5 подключен третий блок 29 времени, второй вход которого соединен с третьим выходом первого блока 4 времени, а выход - с упрагзляющим входом ключа 28.

Первый блок 4 содержит последовательно соединенные подклн)ченн1.1Й к

д

входу блока формирователь 30 коротких импульсов, счетчик 31 импульсов и логический элемент И 32, выход которого соединен со счетным входом счетчика 31 импульсов. Меяду входом блока 4 и вторым входом логического элемента И 32 включен генератор 33 импульсов. Счетчик 31 импульсов соединен с выходом блока 4, а формирователь 30 коротких импульсов - с вторым выходом этого блока, второй выход генератора 33 импульсов подключен к третьему выходу блока 4.

Второй блок 14 времени содержит 5 формирователь 34 коротких импульсов, счетчик 35 импульсов, логический элемент И 36 и генератор 37 импульсов. Он выполнен аналогично блоку 4 времени за исключением связи второй выход генератора 37 импульсов - третий выход блока 14, которая отсутствует.

Третий блок 29 времени содержит последовательно соединенные подключенный к входу блока счетчика 38 импульсов и логический элемент И 39, второй вход которого подключен к второму входу блока 29, а выход - к счетному входу счетчика 38 импульсов, второй выход которого соединен с выходом блока 29.

У всех счетчиков импульсов с логическими элементами И соединены инверсные выходы. Счетчики импульсов 16 и 9 сбрасываются в исходное состояние нулевыми сигналами, а счетчики импульсов блоков времени - единичными.

Первый и второй блоки времени предназначены для формирования прямоугольных сигналов заданной длительности. На выходе первого блока времени, находящегося в канале напряжения, длительность прямоугольного импульса г 7,6-10 мс, а на выходе второго блока времени, находящегося в канале тока, длительность прямоугольного импульса bj 0,5-1,5 мс.

0

5

5

0

Фазосдвигающий блок позволяет устанавливать импульс i внутри импульса {Jj (при настройке дугогасяще- го реактора в резонанс с сетью) так, что при расстройках компенсации импульс О о не выходит за пределы импульса i, (при замыкании на землю в зоне действия защиты).

Первый фильтр постоянной составляющей, счетчик импульсов и второй логический элемент И в канале напряжения (и соответствующие им элементы в

51

канале тока) предназначены для блокировки {запрета действия) устройств защиты при появлении помех на выходе формирователей прямоугольных импульсов.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное, второй усилитель, элемент задержки и двухуровневый компаратор обеспечивают работу устройства защиты только в режиме устойчивого однофазного замыкания на

15

25

землю, а при любых изменениях, превы- шаюпщх отстройку от колебаний напряжения нулевой последовательно сети, устройство защиты блокируется. Элемент задержки может быть выполнен на операционном усилителе, в обратную связь которого включен конденсатор, обеспечивающий задержку изменения выходного сигнала по отношению -к вход- ному. Двухуровневый компаратор сигналов может быть выполнен на микросхеме К421СА1 с инвертором (микросхема К 155 ЛАЗ).

Интегрирующий усилитель с ключом в обратной связи, управляемым третьим блоком времени, обеспечивает повышение помехоустойчивости и селективности действия устройства защиты.

Первый усилитель, второй пороговый орган и преобразователь, импульсов в напряжение постоянного уровня предназначены для блокировки устройства за- ш;иты при малых собственных емкостных токах защищаемых присоединений (при замыкании на землю вне зоны действия защиты).

В.торой пороговый орган имеет уставки (положительного и отрицательного напряжений) и преобразует переменное напряжение в импульсы.

дится в исходном состоянии. При вклю чении устройства защиты на установоч ном входе счетчика 31 (35) импульсов сигнал равен О, а на выходе - I, которая разрешает прохождение счетны импульсов от генератора 33 (37) чере логический элемент И 32 (36) на счетный вход счетчика 31 (35) импуль сов. Просчитав К импульсов, счетчик 31 (35) импульсов на выходе вьщают сигнал, равный О, который запрещает работу логического элемента И 32 (36), Таким образом, в нормальном ре жиме работы сети на вькодах счетчико 31 и 35 импульсов и на выходах блоко 4 и 14 времени сигналы равны О.

При однофазном замыкании на землю напряжение нулевой последовательност UQ резко возрастает. Пороговый орган 9 при этом срабатывает и блок 10 вьщержки времени с вьщержкой времени дает разрешение (1) на первый логи ческий элемент И 5. Благодаря блокам 9 и 10 обеспечивается отстройка от переходных процессов. Сигнал на выходе компаратора 26 равен 1 при условии, что амплитудное значение напряжения нулевой последовательности Up постоянно во времени, в этом случае сигнал U 2j U (фиг. 1). При изменении амплитудного значения напряжения сигнал отстает от сигнала Ujc на время 4t, определяемое параметрами элемента 27 задержки. Так, 35 при увеличении (уменьшении) напряжения U(, сигнал и55 больше, чем

30

25

-и,,).

и как только разность

40

..

между этими сигналами станет больше

и,,,., на выходе компаратора 26 сигналов появится сигнал, равный О, который залретит работу первого логического элемента И 5. Б нормальном режиме работы сети .

напряжение U и ток 1 нулевой после- Таким образом, при возникновении довательности близки к нулю. На выхо- 45 °Д офазного замыкания на землю или дах преобразователя 24 переменного отключении его, а также при люнапряжения в постоянное, блока 10 выдержки времени, формирователей 30 и 34 коротких импульсов первого и второго блоков времени, преобразователя 23 импульсов в напряжение постоянного уровня, первого логического элемента И 5, интегрирующего 6 и релейного 7 усилителей нулевые сигналы. На выходах компаратора 26 сигналов, первого 16 и второго 19 счетчиков импульсов, третьего блока 29 времени сигналы равны 1. Ключ 28 замкнут, а исполнительный.орган 8 нахо-

5

5

дится в исходном состоянии. При включении устройства защиты на установочном входе счетчика 31 (35) импульсов сигнал равен О, а на выходе - I, которая разрешает прохождение счетных импульсов от генератора 33 (37) через логический элемент И 32 (36) на счетный вход счетчика 31 (35) импульсов. Просчитав К импульсов, счетчик 31 (35) импульсов на выходе вьщают сигнал, равный О, который запрещает работу логического элемента И 32 (36), Таким образом, в нормальном режиме работы сети на вькодах счетчиков 31 и 35 импульсов и на выходах блоков 4 и 14 времени сигналы равны О.

При однофазном замыкании на землю напряжение нулевой последовательности UQ резко возрастает. Пороговый орган 9 при этом срабатывает и блок 10 вьщержки времени с вьщержкой времени дает разрешение (1) на первый логический элемент И 5. Благодаря блокам , 9 и 10 обеспечивается отстройка от переходных процессов. Сигнал на выходе компаратора 26 равен 1 при условии, что амплитудное значение напряжения нулевой последовательности Up постоянно во времени, в этом случае сигнал U 2j U (фиг. 1). При изменении амплитудного значения напряжения сигнал отстает от сигнала Ujc на время 4t, определяемое параметрами элемента 27 задержки. Так, 5 при увеличении (уменьшении) напряжения U(, сигнал и55 больше, чем

0

25

-и,,).

и как только разность

0

..

между этими сигналами станет больше

и,,,., на выходе компаратора 26 сигналов появится сигнал, равный О, который залретит работу первого логического элемента И 5. .

Таким образом, при возникновении °Д офазного замыкания на землю или отключении его, а также при любом изменении, превышающем отстройку от колебаний амплитудного значения напряжения нулевой последовательности

Ug, на выходе компаратора 26 сигнал равен О, т.е. запрещается работа первого логического элемента И 5, а тем самым и устройства защиты. Благодаря этому существенно повьшается помехоустойчивость устройства за- ищты и его селективность.

При однофазном замыкании на земпю первый 30 (второй 34) формирователь коротких импульсов формирует корот-

71356099

кий импульс на каждый положительный полупериод входного сигнала..На каждый короткий импульс счетчик 31 (35) импульсов сбрасывается, на его выхо-

ги пе на

на

де появляется сигнал 1 , который разрешает прохождение счетных им пульсов от генератора 33 (37) импульсов через логический элемент И 32 (36) на счетный вход счетчика импульсов. Просчитав К импульсов, счетчик на выходе выдает О, кото-

tO нию нулевой последовательности U. В этом случае импульс находится внутри импульса и, длительность которых соответственно равна

При рас-

рый блокирует работу логического элемента И 32 (35),. и так далее (фиг. 5). При возникновении помех в канале напряжения (тока) на выходе 15 формирователя 30 (34) коротких импульсов появляется серия коротких импульсов в течение одного полупериода промышленной частоты. Эти импульсы поступают через второй 17 (третий 20 пени расстройки компенсации. На выхо- 20) логический элемент И на счетный де первого логического элемента И 5

стройке компенсации импульс {) мещается внутри импульса Z вправо - при перекомпенсации и влево - при не- докомпенсации. Угол, на который сдвигается импульс своего первоначального положения, зависит от сте-

вход первого 16 (второго 19) счетчика импульсов, который, просчитав два импульса, изменяет свой выходной сигнал с 1 на О и запрещает работу второго 27 (третьего 20) и первого 5 логических элементов И.

На фиг. 5 представлена диаграмма, поясняющая работу устройства защиты при однофазном замыкании на землю в зоне заи(иты, а часть Б диаграммы поясняет работу устройства при наличии помех в канале тока. При собственном емкостном токе защищаемого присоедипоявляются прямоугольные импульсы длительностью С . Первый импульс, поступающий с выхода первого логичес- 5 кого элемента И 5 на установочный вход счетчика 38 иьтульсов третьего блока 29 времени, сбрасывает счетчик 38 импульсов,- выходные сигналы последнего изменяются на противополож-

30 ные. Ключ 28 размыкается и разрешает работу интегрирующего усилителя 6. Проинтегрировав несколько импульсов, последний изменяет выходной сигнал с нуля на какой-то превышающий порог.

нения, меньшем тока минимальной чув- 35 и через релейный усилитель 7 подает

ствительности , сигнал на выходе преобразователя 23 импульсов в напряжение постоянного уровня равен О, т.е. запрещается работа первого логического элемента И 5. При больших токах на выходе блока 23 сигнал равен 1, т.е. работа первого логического элемента И 5 разрешается. Введение блоков 21-23 позволяет повысить помехоустойчивость и селективность действия устройства защиты.

Пусть замыкание произошло вне зоны защиты (например, на другой подстанции), тогда собственный емкостный ток линии будет сдвинут примерно на 90 эл.град. по отношению к напряжению нулевой последовательности U,j . Импульс и, поступающий с выхода второго блока 14 времени на третий вход первого логического элемен- та И 5, находится вне нмтульса U, поступающего с выхода первого блока 4 времени на первый вход первого ло

8

гического элемента И 5. На выходе первого логического элемента И 5 сигнал равен О, и исполнительный орган

находится в исходном состоянии.

При замыкании на землю на защищаемом присоединении остаточный ток 1 при резонансной настройке системы компенсации сдвинут примерно на 180 зл.град. по отношению к напряжению нулевой последовательности U. В этом случае импульс находится внутри импульса и, длительность которых соответственно равна

При рас-

пени расстройки компенсации. На выхо- де первого логического элемента И 5

пени расстройки компенсации. На выхо- де первого логического элемента И 5

стройке компенсации импульс {) мещается внутри импульса Z вправо - при перекомпенсации и влево - при не- докомпенсации. Угол, на который сдвигается импульс своего первоначального положения, зависит от сте-

появляются прямоугольные импульсы длительностью С . Первый импульс, поступающий с выхода первого логичес- 5 кого элемента И 5 на установочный вход счетчика 38 иьтульсов третьего блока 29 времени, сбрасывает счетчик 38 импульсов,- выходные сигналы последнего изменяются на противополож-

30 ные. Ключ 28 размыкается и разрешает работу интегрирующего усилителя 6. Проинтегрировав несколько импульсов, последний изменяет выходной сигнал с нуля на какой-то превышающий порог.

55

сигнал- на исполнительный орган 8, который отключает поврежденное присоединение. При отключении однофазного замыкания на землю на выходе пер-

40 вого логического элемента И 5 сигнал станет равным нулю, который разреша-. ет работу счетчика 38 импульсов. Последний, подсчитав К импульсов, поступающих с второго выхода генерато-

ра 33 импульсов через логический элемент И 39 на счетный вход счетчика 38 иктульсов, изменяет свои выходные сигналы на противоположные. Таким образом, на прямом выходе счетчика сиг-

50 нал станет равным 1, которая замкнет ключ 28, заблокировав работу интегрирующего усилителя 6, а на инверсном - О, которьй заблокирует работу логического элемента И 39.

Предлагаемое устройство позволяет увеличить надежность работы защиты и сократить простои оборудования.

ijfw

ABC

30

32

I

S1

.г.г

57

36

Щ

I

9иг.З

.7

I

Т

39

.7|

лш

ZtJil %

7(7г5

I ПППП

пппп

фиг. 6

Составитель Л. Васькова Редактор М, Андрушенко Техред Л.СердюковаКорректор И. Муска

5803/48

Тираж 618 Подписное ВНИИ1М 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