Устройство для защитного отключения изолированной от земли электрической сети Советский патент 1988 года по МПК H02H3/17 

Изобретение относится к устройствам для защитного отключения изолированных от земли электрических сетей переменного и постоянного тока, а также комбинированных сетей переменно-постоянного тока при снижении сопротивления их изсляции, в том числе при прикосновении человека к токове- дущим элементам сети.

Цель изобретения - повьшение точности функционирования защиты, а также снижение фазовой погрешности и повышение быстродействия защиты.

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства- на фиг.2 - схеюл источника оперативного тока и блока автоматического регулиУстройство работает следующим образом.

Выходное напряжение источника 2

оперативного тока имеет прямоугольную форму и основную частоту, которая вдвое меньше промьшшенной -частоты, т.е. равна 25 Гц. Такое напряжение прямоугольной формы содержит

только нечетные гармоники (75,125, 175 и ТоД.) одна из которых используется в качестве напряжения оперативного тока (например, гармоника, имеющая частоту 75 Гц), На частоту

fo этой гармоники настраиваются полосовые фильтры 6 и 7, выходные сигналы которых имеют неискаженную си- нусо1одальную форму выбранной для оперативного тока частоты. Так как пер

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам защитного отключения электрических сетей при повреждении их изоляции и прикосновении людей к то- коведущим частям. Цель изобретения - повышение точности функционирования защиты, а также снижение фазовой погрешности и повышение быстродействия защиты. Выходное напряжение полосового фильтра 6 поступает на вход блока 13 автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока, где оно сравнивается с эталонным напряжением. Разность этих напряжений воздействует через систему управления на источник 2 оперативного тока, чем обеспечивается стабилизация напряжения на емкости защищаемой сети и, следовательно, независимость активной составляющей оперативного тока от величины этой емкости. Выходное напряжение множительного блока 9, кроме постоянной составляющей, содержит также и переменную составлжоцую, которую фильтрует фильтр 10 нижних частот. Порого- вьп элемент 11 реагирует на определенное значение постоянного напряжения и при помощи блока 12 отключения отключает защищаемую сеть. 3 з.п. ф-лы, 3 ил. с СО со со о 05 00 1

рования выходного напряжения источни-20 вый полосовой фильтр 6 подключен межка оперативного тока на фиг.З - диаграммы напряжений элементов схемы устройства, поясняющие его работу.

Устройство содержит последовательно соединенные фи.пьтр 1 присоединения,25 источник 2 оперативного тока и резис- торный шунт 3, включенные между щаемой сетью 4 и землей 5, два полосовых фильтра 6 и 7, формирователь 8 прямоугольного напряжения, множи- 30 тельный блок 9, фильтр 10 нижних частот, пороговый элемент 11, блок

12отключения защищаемой сети, блок

13автоматического регулирования выходного напряжения источника опера- 35 тивного тока,резистором 14 обозначено активное сопротивление R изоляции сети, а конденсатором 15 - емкость С| сети.

Схема источника 2 оперативного 40 тока (фиг.2) содержит трансформатор 16, транзисторы 17 и 18 п-р-п-типа и транзистор 19 р п-р-типа, диод 20, резисторы 21-24 и источник 25 постоянного напряжения.45

Блок 13 автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока содержит формирователь 26 импульсов промьшшенной час-

ду защищаемой сетью 4 и землей 5, его выз одное напряжение пропорцио нально падению напряжения Uu на конденсаторе 15 (т.е. на емкости Ci защищаемой сети).

Ч

и

KgU U sincJ.t, (1)

где К. - коэффициент .передачи полосоо

вого фильтра 6 на резонансной частоте; Иц - действующее напряжение на

емкости Си заш щаемой сети; - круговая частота выбранной гармоники оперативного напряжения.

Синусоидальное напряжение с выхода фильтра 6 преобразуется формирователем 8 в прямоугольное напряжение, описываемое уравнением

8

и„, ОбСо,С-1Г

(2)

-и„, ,

постоянное напряжегде некоторое

ние.

Второй полосово фильтр 7 подключен к резисторному шунту 3, имеющему

сопротивление R . Напряжение на шунте тоты, узел 27 выпрямления, фильтр 28 Q 3 пропорционально току i., равному

нижних частот, счетный триггер 29, логические элементы И-НЕ 30 и 31, логический элемент НЕ 32 и узел 33 регулируемой временной задержки. Последний содержит логический элемент И-НЕ 34, логический элемент НЕ 35, конденсатор 36, регулирующий транзистор 37, резисторы 38 и 39 и источник 40 постоянного напряжения смещения.

55

Ч

сумме токов, протекающих через резистор 14 и ковденсатор 15,

и, К. (c.,t-Hc.,), (3)

где ifi,- угол сдвига тока i,. относительно напряжения Uu. Напряжение на выходе полосового фильтра 7

ду защищаемой сетью 4 и землей 5, его выз одное напряжение пропорцио нально падению напряжения Uu на конденсаторе 15 (т.е. на емкости Ci защищаемой сети).

Ч

и

KgU U sincJ.t, (1)

2530

35

40 45

где К. - коэффициент .передачи полосоо

вого фильтра 6 на резонансной частоте; Иц - действующее напряжение на

емкости Си заш щаемой сети; - круговая частота выбранной гармоники оперативного напряжения.

Синусоидальное напряжение с выхода фильтра 6 преобразуется формирователем 8 в прямоугольное напряжение, описываемое уравнением

8

и„, ОбСо,С-1Г

(2)

-и„, ,

постоянное напряжегде некоторое

ние.

Второй полосово фильтр 7 подключен к резисторному шунту 3, имеющему

сопротивление R . Напряжение на шунте 3 пропорционально току i., равному

Ч

сумме токов, протекающих через резистор 14 и ковденсатор 15,

и, К. (c.,t-Hc.,), (3)

где ifi,- угол сдвига тока i,. относительно напряжения Uu. Напряжение на выходе полосового фильтра 7

U K,i ,sin(u,t+v),(4)

где K - коэффициент передачи полосового фильтра 7 на резонансной частоте.

1 VП г 1 7-J7

Г 27 1 - 8dUot 1 i, -jbd tj -| U«R,K,I cosq-j.

тт

Так как активная составляющая тока 1,

1

Uv

1, , g

среднее значение выходного напряжения множительного блока 9 можно представить

, -f «V.I cosce.lI u., Hi.

(5)

Выходное напряжение множительного блока 9, кроме постоянной составляющей (5), содержит также переменную составляющую, которая не должна поступать на вход порогового элемента 11. Поэтому между множительным блоком 9 и пороговым элементом 11 включен фильтр 10 нижних частот (выполняющий функцию сглаживающего устройства). Пороговый элемент 11 реагирует на определенное значение постоянного напряжения и при помощи блока 12 отключения осуществляет отключение защи-, щаемой сети.

Из вьфажения (5) видно, что выходное напряжение множительного блока 9 и, следовательно, срабатывание защитного устройства зависит только от сопротивления Кц изоляции защищаемой сети при условии, что напряжение U в процессе эксплуатации остается неизменным. Стабилизация этого напряжения осуп ествляется при помощи блока 13 автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока,

Система автоматического регулирования работает следующим образом.

Выходное напряжение полосового фильтра 6, пропорциональное напряжению Un, поступает на вход блока 13, где оно сравнивается с эталонным напряжением. Разность этих напряжений, т.е. сигнал рассогласования, воздействует через систему управления на источник 2 оперативного тока, вызывая изменение его выходного напряжения до тех пор, пока напряжение

Выходное напряжение множительного блока 9 пропорционально произведению поступаю1цих на его входы напряжений и (2) и и С ), при этом среднее значение выходного напряжения

-| U«R,K,I cosq-j.

U не станет равным заданному значению.

Система автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока может быть выполнена различньми способами.

На фиг.2 приведен пример конкретного выполнения схемы источника 2 оперативного тока и блока 13 автоматического регулирования выходного

напряжения источника оперативного тока. Выходное напряжение источника 2 прямоугольной формы получается путем поочередного подключения при помощи транзисторов 17-19 двух первичных полуобмоток трансформатора 16 к источнику 25 постоянного напряжения. Регулирование выходного напряжения источника 2 осуществляется путем изменения скважности его прямоугольных

импульсов при помощи транзистора 19. Транзисторы 17 и 18 обеспечивают поочередное подключение полуобмоток трансформатора к источнику питания, а также служат для закорачивания этих

полуобмоток на интервалах времени, когда транзистор 19 заперт, чтобы исключить появление выбросов напряжения на обмотках трансформатора.

Система управления транзисторами

17-19 работает следующим образом.

На вход формирователя 26 подается на- напряжение промышленной частоты (фиг.З, диаграмма U), а на его выходе получаются узкие импульсы нулевого уровня (фиг.З, диаграмма U-je Эти импульсы поступают на вход счетного триггера 29, вызывая его периодическое переключение, и на вход узла 33 регулируемой временной задержки. При поступлении очередного такого импульса на вход логического элемента И-НЕ 34 на его выходе появляется единичный сигнал, который через конденсатор 36 поступает на вход

логического элемента НЕ 35. На выходе этого элемента при этом появляетIся сигнал нулевого уровня, который,

поступая на второй вход логического

элемента И-НЕ 34,, по,ццерживает на его выходе единичньв сигнал, Коьщенсатор 36 под действием вькодного напряжения логического элемента 34 пос- тепенно заряжается, причем скорость его заряда может регулироваться транзистором 37,

По мере заряда конденсатора .36 напряжение на входе логического эле- мента НЕ 35 снижается, и при некотором его значении этот элемент, а вместе с ним и логический элемент И-НЕ 34, возвращается в исходное состояние (фиг.З, диаграммы напряжений и,4 J иJ5 на выходах элементов 34 и 35). При появлении на выходе узла 33 регулируемой временной задержки (т.е. на выходе логического элемента НЕ 35) сигнала нулевого уровня отпирается транзистор 19 под действием Тока, протекающего по цепи эмиттер- база этого транзистора - резистор 24- коллектор этого транзистора. При положительном напряжении на выходе узла 33 транзистор 19 запирается. Система управления транзисторами 17 и 18 построена на триггере 29 и логических элементах 30-32 так, что эти транзисторы большую часть периода открыты и запираются по очереди лишь при отпирании транзистора 19. Работу этой части схемы поясняют диаграммы выходных напряжений (фиг.З) триггера 29 (и2,} и Ujij) и логических элементов 30-32 (и,о , и,, , )

Величина временной задержки узла 33 и, следовательно, скважность прямоугольных импульсов выходного напряжения источника 2 регулируется при помощи транзистора 37, на базу которого подаются два напряжения: напряжение смещения (эталонное напряжение) от источника 40 постоянного напряжения смещения и нап{эяжение с выхода первого полосового фильтра 6, предварительно выпрямленное при помощи узла 27 выпрямления и отфильтрованное фильтром 28 нижних частот Если на- пряжение на выходе полосового фильтра 6 по какой-либо причине возрастает, это приводит к увеличению вьшрям- ленного напряжения на выходе узла 27 и тока перехода база-эмиттер транзис

тора 37. Транзистор при этом приоткрывается, в результате чего ускоряется заряд конденсатора 36 и уменьшается время задержки, создаваемое узлом 33. Это, в свою очередь, приводит к

уменьшению длительности- интервала проводимости транзистора 19 и соответствующему уменьшению ширины прямоугольных импульсов выходного напряжения источника оперативного тока. При изменении скважности импульсон этого напряжения (фиг.З, диаграмма U, ) изменяются амплитуды всех его гармо-i нических составляющих. Разлагая кривую этого напряжения в ряд Фурье, получают вьфажение, определяющее действующее значение его гармоник

Uon

и

01К1

К

. кр.

sin -j(6)

де К 1,3,5,

сп

При К ринимает

3

вид

порядковые номера гармоник (их кратность по отношению к основной частоте, равной 25 Гц),

соответственно вы-- сота и угловая ширина прямоугольных импульсов выходного напряжения источника. (75 Гц) выражение (6)

ЗР Uan . 3Q«t,

- - «-.ee Sin

ЗТ

(7)

0

5

0

5

5 гдео),. 21Г

-On

Ч круговая частота основной гармоники (25 Гц);

временная продолжительность импульсов прямоугольного напряжения.

Из выражения (7) видно, что при - изменении продолжительности импульсов прямоугольного напряжения от 60° до нуля напряжение гармоники 75 Гц изменяется от максимального значения до нуля. Максимальному значению 60 соответствует максимальное время задержки, создаваемое узлом 33 и равное t,MaKc 6,67 10(сХ

Такую задержку узел 33 должен создавать при минимальном токе перехода база - эмиттер транзистора 37. При полном отпирании последнего время задержки уменьшается практически до нуля, при этом и напряжение гармоники 75 Гц на выходе источника oneративного тока становится близким к нулю.

При точной настройке полосовых фильтров создаваемый ими фазовый сдвиг проходящего через них сигнала равен нулю. Однако практически всегда имеет место некоторая расстройка фильтров или отклонение частоты полезного сигн ала от заданного знача- ния. Чтобы возникающий при этом фазовый сдвиг вьщеляемых полосовыми фильтрами 6 и 7 сигналов не оказывал влияния на величину выходного напряжения (5) множительного блока, указанные фильтры следует вьшолнять .идентичными. В этом случае фазовые сдвиги сигналов на выходах этих фильров одинаковые, поэтому разность фаз этих сигналов, т.е. уголц,., не зависит от этих фазовых сдвигов. Резонансную частоту фильтров 6 и 7 следует принимать выше основной частоты оперативного тока, равной 25 Гц, так как с повышением частоты снижается время запаздывания, создаваемое - фильтрами 10 и 28 нижних частот (сглаживающими фильтрами), т.е. повышается быстродействие защиты. Так ка выходное напряжение источника опера- тивного тока содержит только нечетны гармоники, полосовые фильтры должны настраиваться на частоту, которая в нечетное число раз больше основной частоты. Практически эту частоту целесообразно принять равной 75 или 125 Гц, так как при дальнейшем повышении частоты активная составляющая оперативного тока оказывается весьма малой по сравнению с полным значение этого тока, а это ведет к снижению точности функционирования защиты.

В качестве полосовых фильтров и фильтров нижних частот целесообразно использовать активные RC-фильтры. В качестве множительного блока может быть использован любой перемножитель аналоговых сигналов в интегральном исполнении или интегральный дифференциальный усилитель с выведенньм входом генератора стабильного тока. Формирователь прямоугольных импульсов, узел выпрямления и лороговьй элемент целесообразно выполнить на основе интегральных операционных усилителей а в качестве формирователя импульсов промышленной частоты можно использо- вать двухкаскадньй транзисторный уси усилитель с конденсаторной связью

Q 5 05 Q

5

0

5

0

5

между каскадами и транзисторами, работающими в режиме переключения.

Предлагаемое техническое решение позволяет создать заш 1тное устройство, отличающееся высокой помехозапщ- щенностью и точностью функционирования, а также простотой схемы и высоким быстродействием.

Формула изобретения

к сети, источник оперативного тока ненепромышленной частоты и резисторный шунт, соединенньп с клеммой для заземления, формирователь прямоугольного напряжения, множительньй блок, а также соединенные последовательно пороговый элемент и блок отключения защищаемой сети, отличающееся тем, что, с целью повышения точности функционирования защиты, в него дополнительно введены два полосовых фильтра, фильтр нижних частот и блок автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока, при этом входные выводы первого полосового фильтра соединены с клеммами для подключения между сетью и-землей,вход второго полосового фильтра подключен к резисторному шунту, первьй вход множительного блока подключен через формирователь прямоугольного напряжения к выходу первого полосового фильтра, а его второй вход - к выходу второго полосового фильтра, вход порогового элемента подключен через фильтр нижних частот к выходу множительного блока при этом вход блока автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока соединен с выходом первого полосового фильтра, а выход - с входом управления источника оперативного тока непромышленной частоты.

9 13

формирователе импульсов промышленной частоты, синхронизированного напряжением сети переменного тока, узле выпрямления, фильтре нижних частот, счетном триггере, двух двухвходовых элементов И-НЕ, элементе НЕ и узел рег улируемой временной задержки, при этом эмиттеры всех трех транзисторов и анод диода подключены к обще точке схемы устройства, коллекторы двух транзисторов п-р-п-типа подключены соответственно к началу и концу первичной обмотки выходного трансформатора, вывод средней точки которой соединен с катодом диода.и плюсовым зажимом источника постоянного напряжения, коллектор транзистора р-п-р- типа. соединен с минусовым зажимом этого источника, с базами указанных транзисторов соединены последовательно соответственно первый, второй и третий резисторы, а четвертый резистор включен между коллектором и базо

транзистора р-п-р-типа, причем другие 25 зистор к источнику постоянного напрявыводы указанных трех резисторов соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И-НЕ и выходом узла регулируемой временной задержки, вхоД которой подключен через фильтр нижних частот к узлу вьшрям- ления, вход счетного триггера подключен к выходу формирователя импульсов

промьшшенной частоты, а его прямой

и инверсный выходы соединены соответ- ,евые фильтры вьшолнены с резонансной

ственно с первыми входами первого ичастотой, в нечетное число раз превы-

второго двухвходовых элементов И-НЕ,шающей основную частоту напряжения

вход элемента НЕ подключен к выходуисточника оперативного тока.

7

10

узла регулируемой временной задержки а его выход соединен с втЬрьп и входами указанных элементов И-НЕ, выход формирователя импульсов промьшшен- ной частоты подключен также к входу синхронизации узла регулируемой временной задержки.

39

27

2S

ЫI

fpuz.2

С