Устройство для защиты электроустановки Советский патент 1988 года по МПК H02H3/26 H02H3/28 

w

И:и)бретение относится к об.тасти реле11- ной защиты и может быть использо ано для зашиты высоковольтных линий электро- 1ередач, включенных через два и более выключателя. Цель изобрете1Н1я - новьииение устойчивости функционирования нутем устранения излишних срабатываний зани1ты при BfKMHHHx коротких замыканиях (к. з.) с вы- сокочастотнЬ)1ми свободными составляющими в токе к. 3. и обесш-чения выно. 1нения функции отк.лючения выключате.лей зашин1,аемой линии с высоким быстродействием. Постав- .1енная цель достигается тем, что в устройство дополнительно введены инерционное звено 6, сумматор 8. элемент задержки 10, два элемента И 11, 12, три элемента НЕ 13, 15, 17, два расширителя импульсов 14, 16. При превышении сигналом, пропорциональным сумме модулей токов плеч, определенного уровня формируется логический сигнал S, из которого формируется логический сигнал S- of, передний фронт которого отстает от переднего фронта сигнала S на время . Из сигнала нроизвод- ной дифференциального тока, прошедшего через инерционное звено на определенном уровне ,i,f, по положительной и отрицательной нолярности формируется логический сигнал d, который удлиняется на время U сутстВИИ ния Т с выхода канала ле б.покирования формируется сигна,т 6,io- кирования, который удлиняется до 60 80 мс Н тем самым предотвращает из. циннее срабатывание. 4 ил. DZ и от г). При наличии сигна, 1а S- I си1 нала d- Do и снгна,1а отк,тк)че- отключения в кана(Л

05 05

оо

6 Л0хи й5йч1

Нзоб|Н тен11е относится к релейной защите и может быть использовано для защиты 1и 1соковольтны. линий электропередач, вклю- чеппих через два и более выключателя.

Цель изобретения - повьииение устой- чивости ф нкциопирования путем устранения ИЗЛИН1Н11Х срабатываний защиты при них коротких замыканиях с высокочастотными С1 ободными составляющими в токе короткою замыкания и обеспечения выполнения функции отключения выключателей за- щищаемой линии с высоким быстродействием,

Ма фи1. 1 изображена структурная схема предлагаемого устройства защиты; на фиг. 2 схема подключения защиты к за- Н1ип1аемой линии; на фиг. 3 - эпюры рабо- 11)1 устройства нри внеп1пем КЗ; на фиг. 4 - 4111оры |)аботы устройства при внутреннем КЗ.

Устройство защиты (фиг. 1) содержит о i K .;u шкор, 1 гока, одни концы вторичных |Г)1( которых об ьединены, а другие н)и- ч оединены к многоилечему диодному полумосту 2, кат()Д1,1 и аноды диодов которого обьединс ны и по.чключены к дву 1лечей схеме : сравнения со средней точкой, диф- (|)epeHiuia, ii)Hoe сопротивление 4 наг)узки, иклю-им1ное между общей точкой вто)ич- ных обмоток датчиков 1 тока и средней гочкой схемы 3 сравнения, которая при этом (а.емле1;а, незаземленный конец диф- ф|. ренциальпого сопротивления 4 наг рчзки соединен с входом блока 5 дифференциро- n.:iHiiH, KOTopoi o через и}1ерцио1Н1ое чичю fi соединен с (до.м формир(. 1Я / сигиа.юв .stHipeia, сум.матор 8, неинве)ти- ;: , KjiUMii вход KOTOfioi о соединен с катодами, а инвертирующий - с анодами диодов м ногои. К чего Д1 одпого полумоста 2, а выход с неинвертируюпшм входо.м компара- юра 9 инвертирующий вход которого является er(j , 1яюни1м входом. Выход компаратора О через э.лемент К) задержки соединен ( вторым входом нервого э.темента И 11 и :торым ВХОДОМ BTOpoi o элемента И 12. Выход |)ормировате 1я сигналов запрета соединен с третьим входом второго элемента И 12 и входом первого э:1емента (инвертора) НЕ 13, ;) коюрого соединен с первым входом первого э,1е 1ентс1 И 11. Выход 1И рвого элемента И 1 1 соединен с входом первого рас- ,.1( 14 импульсов, выход KOTOpoi o соединен через второй элемент (инвертор) НЕ 15 V не()вым входом второго элемента И 12, а так- /:че является отключающим выходом устройст- liii Выход нторо1Ч) элемента И 12 соединен с iiX(.),i)M второго рас1нирителя 16 импульсов. В1МХОД которого соединен через третий эле- Mcirr (инве(ггсф) ИГ: 17 с третьим входо.м первого э;1емента И 1 1 и является блокирую- ИП1М Bbixo ioM устройства.

Ко 1К|Н 1-ная реализация уст)ойстиа мо- /кет бьггь с.:1едую ней.

), и;к датчиков 1 тока нредназначен д.тя :M,BafiH-.ecKoro разделения вторич1Н 1х не

0 - 0

5

0

5

0

|1ей трансформаторов тока и цепей устройства, а также для трансформации тока, втекающего в устройство. Блок датчиков 1 тока содержит промежуточные трансформаторы тока - но одному на каждый трансформатор тока в рассматриваемой фазе, т. е. на каждое плечо защиты, первичные обмотки которых являются входами этого блока, а вторичные - выходами, причем одни одноименные концы вторичных обмоток датчиков объединены и являются общим (диф- ференциа.чьным) выходом блока.

Многоплечий диодный полумост 2 содержит соответствующее количеству датчиков тока количество пар диодов, при этом катоды и аноды диодов объединены и являются выходами диодного полумоста 2, а входами являются точки соединения анода одного диода с катодом другого в каждой паре диодов. .Чногонлечий диодный полумост

2нредназначен для разделения,раздельного суммирования полуволн положительной и отрицательной полярностей токов плеч.

Двуплечая схема 3 сравнения со средней точкой состоит из трех резисторов и двух последовательно включенных стабилитронов, причем два последовательно включенных резистора включены параллельно стабилитронам, а третий резистор включен между общей точкой стабилитронов и точкой соединения двух резисторов. Двуплечая схема

3сравнения предназначена для формирования напряжений, пропорциональных суммам полуволн положительной и отрицательной полярностей токов нлеч, и ограничения их на уровнях напряжения стабилизации стаби- .;1итронов.

Блок 5 диффере1н;ирования предназначен для дифференцирования дифференциального тока.

Инерционное звено 6 предназначено для компенсации усиления дифференциатором 5 частот. превы1наюн|их 50 Гц (основную гармонику) .

Блок формирователя 7 сигналов запрета содержит два компаратора 18 и 19, два диода 20 и 21, нагрузочный резистор 22, конденсатор 23 и инвертор 24, нри этом вход формирователя 7 сигналов запрета соединен с неинвертирующи.м входом компаратора 18 н инвертирующи.м входом компаратора 19, нри этом инвертирующий вход компаратора 18 нодключен к источнику положительного опорного напряжения, а неинвертирующий вход компаратора 19 - к источнику отри- нате.льного опорного напряжения. Выходы кимна)аторов 18 и 19 подключены к анодам диодов 20 и 21, катоды которых объединены в общую точку с входом инвертора 24, одним концом нагрузочного резистора 22 и конденсатора 23, другие концы которых заземлены. Выход инвертора 24 является выходом фор.мирователя сигналов запрета. Последний нредназначен для формирования

сигнала при превышении сигналом на его входе отрицательного или положительного порогового уровня, сдвига заднего фронта сигнала на время { и инвертирования этого сигнала.

Сумматор 8 предназначен для суммирования напряжения, пропорционального ограниченной сумме положительных полуволн токов плеч с проинвертированной ограниченной суммой отрицательных полуволн токов плеч.

Компаратор 9 предназначен для формирования импульсов 5 с уровнем напряжения логической единицы при превышении напряжением, пропорциональным сумме модулей токов плеч, определенного порогового уровня.

Элемент 10 задержки предназначен для задержки переднего фронта импульсов 5 на время t-i.

Элементы НЕ 13, 15 и 17 являются стандартными.

Расширители 14 и 16 импульсов также выполнены по стандартным схема.м.

Работа устройства основана на том, что в переходном процессе даже при самых неблагоприятных условиях трансформатор тока (ТТ) входит в насыщение не сразу, а спустя определенное время, в течение которого трансформация тока осуществляется практически без погрешности.

При использовании данного устройства для повышения устойчивости функционирования защит линий, включенных на сумму токов от ТТ, информация о токе на противоположном конце линии к устройсгву не подводится, поэтому до насыщения какого- либо ТТ в дифференциальной цепи протекает ток, соответствующий току в защищаемой линии.

При внешнем КЗ (точка К1 на фиг. 2) через ТТ защиты линии протекает значительный сквозной ток. а ток от линии i- (фиг. 3) существенно ограничен сопротивлением линии. До насыщения какого-либо ТТ по дифференциальной цепи протекает ток, соответствуюп ий току в линии, от которого устройство отстраивается по уставке дифференциального канала. Если кратность, апериодическая слагающая и постоянная времени апериодической слагающей сквозного тока велики, что возможно, если КЗ произощло на шинах, к которым подключена линия, или вблизи их, то ТТ насыщаются. При насыщении какого-либо ТТ в дифференциальной цепи появляется значительный ток небаланса, который превы- 1нает уставку по дифференциальному каналу.

Таким образом, признаком внешнего КЗ является отставание во времени появления тока небаланса в дифференциальной цепи, вызванного насыщением ТТ от появления тока КЗ, протекающего в ТТ плеч защиты. Однако в последующих за первым периодах такой характер переходного про0

цесса возможен только нри глубоких насыщениях ТТ и активной нагрузке, близкой по величине к предельной (переходный нро- цесс первого рода). При этом ТТ в каждой

положительной полуволне (совпадак щей по знаку с апериодической слагающей) входит в насыщение, а в отрицательной - выходит, и трансформация вновь происходи без погрешности (кривые i| и ib.na фиг. 3). В случае, когда нагрузка ТТ и ток КЗ значительно меньше предельных, но ностоян- ная времени апериодической слагаюп1ей тока КЗ велика, ТТ также может насыщаться, однако характер этого процесса иной (переходный процесс второго рода). В этом

5 случае ТТ в течение нескольких периодов не выходит из насыщения, дифференциальный ток может при этом не проходить через нуль. Восстановление бесюковых пауз основано на том, что в начале каждой положительной полуволны первичного roKi, в

0 течение некоторого промежутка времени тг,к намагничивания насыщенного ТТ хоть и не равен нулю, но мало изменяется по величине, что на осциллограммах гр;и 1ичсски выражается в том, что на этом участке кри5 вые первичного и вторичного ижов практически параллельны (к) . и 1/, на фиг. 3). Поэтому вскчтанон.ченпе в ди(|1- ференциа. токе достщ-асгся его ди({|фе- ренцированием. Ко :(| фииие1Г1 псрелачи дифференциатора прямо iipoiiDiiiuioiia.KMi чш io0 те входного сигнала п, слоловаю.Иию. ; мп литуды всех с(1Став. :як)и . IOK;I Ki с частотой, превыщающеп чш тоту iipnii ж лонной с(х-тавляющей (5(1 Гц), уве.1ичп1(, при дифференцпрованип отно. тсл1)Пс .пиыпту ды принуж.аенной состан-ляюшой. Для ком5 пеисации этого уве шчеппя па масютах, вышающих час юту прину/клснпой COCT;II ..IH- ющей (50 Гп), введено пш рционимо звено.

При внутренних КЗ (т)Ч|.;а Kjl на фп1 2) ток в дифференциа.чьпой цгп i. ujiui. 4)

появляется одн(времс ПК) i. кжамп п.к ч iii и i(,i, что яв. 1яетси при Я1аком впу грен- пего КЗ. Некото)ое запаз.1Ыванпс сигнала П)оизводной дифференциал1 ; (1| I) юка прп прохождении его через иперцпои.иос вено компенсируется задсржк Л1 сигнала

0 Признаком перехода виспоюго КЗ во впу г- репнее в той же фазе явлжлчч исчезновение пауз в проди1 1ференцпрсл1анном п прошедшем через инерционное звено ли1}1фе- ренциальном токе при на.1ичпп токов в плечах, т. е. cnrna.ia суммы молу.чм токов

5 плеч.

В соответствии с ii3.io/t eiiiin M. a.iri)(iinM работы устройства можно опигать с.)- щим образом.

. .бота устройства в соответствии с алгоритмом в )ежимах внешнего и внутреннею КЗ.

При возникновении BiieniHero КЗ (точка К1 на фиг. 2) через один ТТ начинает протекать сквозной для данной защиты ток, а через другойэтот же сквозной ток

подпитки КЗ от источника, находящегося на противопо.гюжном конце линии, величина которого существенно ограничена сопротив- ,1снием линии. Диаграмма, поясняющая работу устройства при внешнем КЗ, приведена на фиг. 3. При превышении напряжения па выходе сумматора 8 (фиг. 1), пропорционального сумме модулей токов плеч L порогового напряжения (фиг. 3), компаратор 9 (фиг. 1) формирует логический сигнал 5 (фиг. 3), передний фронт которого задерживае1ся элементом 10 задержки (фиг. ) на время t (S Dj на фи1 . ,V|. Логические сигналы d (фиг. 3) формируются при помощи дифференциатора 5 (фиг. 1), иж рционного звена 6 и двух компараторов 18 и 19 на заданном уровне I,/, (фиг. 3). Уровень выбран таким, чтобы d не формировался при протекании по дифференциа.чьной цепи тока, соответствующего току подпитки КЗ, протекающему по линии, (игнал на вьгчоде компараторов 18 и 19 (фиг. 1) и на выходе схемы ИЛП,

5

собранной на диодах 20 и 21. появляется только после насыщения какого-либо ТТ. Удлинение и инвертирование производится при помощи конденсатора 23, резистора 22

и инвертора 24. Поскольку до насыщения какого-либо ТТ сигнал d (фиг. 3) отсутствует, на первом входе элемента И 11 (фиг. l) имеется потенциал низкого уровня и, следовательно, на выходе этого элемента и расширителя 14 импульсов - сигнал низкого уровня (фиг. 3), а на выходе инвертора 15 (фиг. 1) - сигнал высокого уровня, который подается на первый вход элемента И 12. На второй вход этого элемента подается сигнал высокого уровня S D, а на

третий - сигнал высокого уровня с выхода инвертора 24 (фиг. 1), соответствующий отсутствию сигнала. Таким образом, на всех трех входах элемента И 12 имеются сиг - налы высокого уровня и, следовательно, на его выходе появляе1ся сигнал высокого уров0 ня (фиг. 3), который удлиняется расп1ири- телем 16 импульсов (фиг. 1) до 60-80 мс и через инвертор ПЕ 17 поступает на третий вход элемента И 11, запрещая его срабатывание и выдачу сигнала на отключение выключателей защипхаемой линии. Сигнал с выхода расширителя 16 импульсов блокирует защиты линии от излишнего срабатывания. Наличие участка идеальной трансформации контролируется во всех последующих периодах переходного процесса. Его наличие

0 воспринимается как признак внещнего КЗ, на выходе элемента И 12 формируется сигнал R (фиг. 3) высокого уровня, который поддерживает потенциал высокого уровня на выходе расщирителя 16 импульсов.

При внутреннем КЗ (точка К2 на фиг. 2)

5 сигнал d-D2 (фиг. 4) появляется несколько раньше формирования сигнала 5 D, так как ток, протекающий в дифференциальной цепи равен сумме токов, протекающих в плечах защиты, а уровень формирования ij, выбиQ рается ниже уровня фор.мирования U,, и сигнал 5 задерживается элементом задержки на время t-i. При наличии сигнала с/Х ХО2 на третьем входе элемента И 12 имеется низкий уровень и, следовательно, на его выходе и выходе расширителя 16 импуль5 сов имеется сигпал пизко1 о уровня (фиг. 4) а на выходе инвертора НЕ 17 - сигнал высокого уровня, который подается на третий вход элемента И 11. На его первом входе имеется сигнал высокого уровня /Х XD-2, на втором - сигнал высокого уровня

0 S О1 и, следовате.чьно, на его выходе формируется сигнал высокого уровня Т (фиг. 4), который удлиняется расширителем 14 импульсов до времени, необходимого для отключения выключателя. С выхода расширителя 14 импульсов сигнал высокого уровня

5

послупает на отключение выключателей поврежденной линии и через инвертор НЕ 15 (фиг. 1) - на трет)1Й вход элемента И 12, блокируя его от срабатывания.

На внутреннем КЗ со сдвигом фаз токов плеч устройство в первом периоде работает аналогично изложенному. В последующих периодах сигнал d может отсутствовать в течение некоторого времени при наличии сигнала S-Ol, так как дифференциальный ток переходит через нуль при не равных нулю токах плеч. Для перекрытия этого времени введена задержка на возврат на время t.2 сигнала d. длительность которой в расчетном случае должна быть достаточной, чтобы на выходе инвертора 24 (фиг. 1) постоянно был логический пуль.

Таким образом, описанный алгоритм работы устройства обеспечивает высокую устойчивость идентификации внешних и внутренних КЗ как в первом периоде, так и в последующих, что обеспечивает устранение излишних срабатываний защиты при внешних КЗ с высокочастотными свободными составляющими в токе КЗ, а при близких внутренних КЗ, сопровождающихся насыщением ТТ до срабатывания основной занш- ты линии, обеспечивает формирование сигнала на отключение выключателей поврежденной линии с высоким быстродтействием.

Формула изобретения

Устройство для защиты электроустановки, содержащее блок датчиков тока, одни концы вторичных обмоток которых обьеди- непы, а другие присоедипепы к многоплс- чему диодному полх мосту, катоды и аноды диодов которых объединены и подключены к двуплечей схеме сравнения со средней точкой, дифференциальное сопротивление нагрузки, включенное между общей точкой вторичных обмоток датчиков тока и средней

Устройство

защиты

0

5

0

5

0

5

точкой схемы сравнении, которая при этом заземлена, блок дифференниронания, вход которого соединен с незазем.пенным концом дифференциального сопротивления н;п , формирователь сигналов запрета, компаратор, инвертирующий вход которого является его управляюп;им входом, отличающееся тем. что, с нелью новьпнения устойчивости функционирования устройства, в него дополнительно введены сумматор, два э.че- мепта И, три элемента НЕ. два раснжри- теля импульсов, элемент задержки, инерционное звено, при этом вход инерционного звена соединен с выходст б/юка дифференцирования, а выход соединен с входом формирователя сигналов запрета, выход кото- юго соединен с третьим входом второго элемента И и входом первого элемента НЕ, выход которого соединен i першим входам первого элемента Н, неинвертирук)ций вход сумма гора соединен с катодами, а ннве)тн- рующий вход - с анодами ;;иодов мно- гоплечего диодного но.чумост; .. при этом выход сумматора соединен с иеинвертиру) M.inti входом компаратора, вход элемента задержки соединен с вы.ходпм ко.)а. а выход -- с вторым входом первого эл( - мента И и вторым вхидом BTojjort) элемента Н, вход нервсм О расншриге.ж имнул1 с()и соединен с выходом iiejiBoro э.н-менуа И. ;i libi x(JД Я1),пяется отключшощим вьгходом ст- ройства и coejiHHeH нх .-дом .())oi-4 э.имен- та НЕ. выход которого С(АМНнен с iiepBi iM входом ,,г элемента 1-1. вход второго расн1нр1 тел .| импульсов 1;;л ди,1ен с ;|,1Х()Д()М второго элемента Н. а вмход яв;1Я1. бло- )HuiM выходом ус(;1ства и coc,;iiiiOf с входом ipeTbei i элег..емта 1Ь,. которого соединен с третьим входом iit pHoi o элемента И.

ЛЭЛ

Фи2.2

Зьа fi

sw/ p//2i r:

Bbif.pm I

Фиг. 3

28

«гэ i- sff

23

2

w.

22 25 25 5

Js

у 5

r.r

Шиг (