Система электроснабжения с токоограничением Советский патент 1988 года по МПК H02J3/00 H02H9/02 

00

ко

HM€

i Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для ограничения тока короткого замыка1гая (КЗ) в системах электроснабжения про- к 1шпенньк предприятий.

Целью изобретения является повыше- le быстродействия ограничения тока короткого замыкания.

На фиг, 1 изображена схема системы эпектроснабжения с токоограничением; на фиг. 2 - структурная схема органа управления тиристорного ком 1утатора на фиг. 3 представлены зависимости изменения сигналов напряжения и тока в. нормальном и аварийном.режимах защищаемой сети.

Система содержит понизительный трансформатор 1 с двумя расщепленными обмотками., датчик 2 тока первого то- копровода, датчик 3 тока второго то- копровода, датчик 4 напряжения первого токопровода, датчик 5 напряжения второго токопровода, тиристорный коммутатор 6, заземленное токоограничи- веющее сопротивление 7 и орган 8 управления первого токопровода, тирис- горный коммутатор 9, заземленное то- коограничивающее сопротивление 10 и орган 11 управления второго токо- провода, выключатели 12-15 потребителей, потреОители 16-19. Орган 8 управления идентичен органу 11 управления. Орган 8 содержит формирователь 20 угла тока, подключенный на выход датчика 3 тока, формирователь 21 угла напряжения, подключенный к выходу датчика 4 напряжения, блок 22 логики и| сумматор,23, на выходе которого Цключен пороговый элемент 24. Форми- рователь угла тока содержит первый дифференцирующий блок 25 и блок 26 двойного дифференцирования, входы ко- т|орых объединены в общий вход фор№1- р|ователя 20 угла тока, выход первого Дифференцирующего блока 25 через пер- Е(ЫЙ пропорциональный блок 27 и первый блок 28 стробирования связан с riepBbiM входом первого блока 29 деле- Йия, а выход блока 26 двойного диф- ференцирования через второй пропор- 1(иональный блок 30 и второй блок 3 1 с1тробирования связан с вторым входом rfepBoro блока 29 деления. Выход пер- lioro блока 29 деления соединен с перйым блоком 32 аппроксимации арктанген cja, KOTopHf i связан через инвертор 33 а сумматором 23. При этом выход ин- йертора подключен к первому входу сумматора и является одновременно выходом формирователя уг ла тока. Формирователь 21 угла напряжения содержит третий блок ЗА стробироваиия и второй дифференцирующий блок 35, входы которых объединены в общий вход формирователя 21 угла напряженияJ причем выход второго дифференцирующего блока одновременно является первым выходом формирователя угла напряжения, и через третий пропорп ональный блок 36 и четвертый блок 37 стробирования связан с первым входом второго блока 38 деленияJ выход которого присоединен к входу второго блока 39 аппроксима- :1ЛИ арктангенса. Выход третьего блока 34 стробирования. связан с вторым входом второго блока 38 деления, а выход второго блока 39 аппроксимации арктангенса связан с вторым входом сумматора 23 и является вторым выходом формирователя 21 угла напряжения Блок 22 логики содержит блок 40 несовпадения знаков сигналов тока и напряжения, первый вход которого связан с выходом датчика 4 напряжения, блок 41 несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной и блок 42 совпадения знаков напряжения и его производной, первый вход каждого из которых связан с выходом датчика напряжения а второй вход - с первым выходом формирователя 21 угла напряжения, причем первьш выход блока 40 подключен на первьй вход первой, логической схемы И 43, второй вход которой связан с выходом блока 41. Второй выход блока 40 подключен на первьш вход второй логической схемы И 44;, второй вход которой соединен с выходом блока 42,, Последовательно со схемой 44 включен блок 45 отрицательного смещения,выход которого подключен на третий вход сумматора 23, Последовательно со схемой 43 включен бло блок 46 положительного смещения, выход которого присоединен к четвертому входу сумматора 23. Выход блоха 45 образует первый выход блока 22 логики,, а выход блока 46 - второй выход блока 22 логики с Датчик 4 напряжения содержит tpaнcфopмaтop напряжения, выход которого связан с конту|)ом памяти.

Устройство работает следующим образом,

С выхода датчика 3 тока второго токопровода снимается сигнал контролируемого тока i(t), который поступает на первый вход органа 8 управления тиристорного коммутатора 6 первого токопровода и затем разветвляется в блок 22 логики и в формирователь 20 угла тока . На входе формирователя 20 угла тока сигнал i(t) разветвляется в первый дифференцирующий блок 25 и

U(tpi) поступает на второй вход вто рого блока 38 деления. Сигнал U(t)p снимаемый с выхода блока 35, поступает в третий пропорциональный блок 36, где изменяется в К раз (К К I/to). Затем сигнал K,U(t)p стробируется в четвертом блоке 37 стробнрования в момент времени t,; .

в блок 26 двойного дифференцирования.10 выхода блока 37 сигнал K,U(tp; )р

С выхода блока 25 сигнал i(t)p поступает на вход второго пропорционального блока 30, где умножается (р - дифференциальньй оператор, К 1/u) , W- угловая частота сети, и J5 f - частота сети). С выхода блока 30 сигнал Kji(t)p поступает на вход второго блока 31 стробирования, где стробируется в заданный момент времени to,- (i 1,2,...,8). С выхода бло-20 ка 31 сигнал KjiCtp. )р поступает на второй вход первого блока 29 деления. Сигнал, снимаемый с выхода блока 26, поступает на вхОд первого пропорционального блока 27, где умножается в 25 К раз (К 4 1/W). Затем сигнал K4i(t)pZ стробируется в первом,блоке 28 стробирования в момент времени tp , после чего сигнал К i ( ) поступает на первый вход блока 29, где он 30 делится на сигнал Kji(tp,)p. Сигнал, полученный в результате деления указанных сигналов, с выхода блока 29 поступает на вход первого блока 32 аппроксимации арктангенса, на выходе 35 котор ого получается сигнал , со- ответствзтощий углу мезвду значением сигнала тока в момент времени стробирования и ближайшим максимумом сигпоступает на первый вход второго блока 38 деления. В блоке 38 сигнал ,- ) делится па сигнал U(tj ), результирующий сигнал поступает на вход второго блока 39 аппроксимации арктангенса, на выходе которого получается сигнал Idif.. соответствующий углу между сигналом напряжения в момент стробирования и ближайшим максимумом сигнала напряжения, имеющим тот же знак, что и стробируемый сигнал. Сигнал+ 4ср.. поступает на

I m

второй вход сумматора 23. В интервал времени несовпадения знаков сигналов тока и напряжения, а также несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной первая логическая схема И 43 подает команду на включение блока 46 положительного смещения. С выхода блока 46 сигнал + К , соо т- ветствующий углу величиной +N, поступает на четвертый вход сумматора 23. В. интервал времени несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной вторая логическая схема И 44 подает команду на включение блока 45 отрицательного смещения. С выхода блока 45 сигнал -IT, соответст- вуюпц й углу величиной - , поступает

нала тока, имеющим тот же знак, что и 40 третий вход сумматора 23, с выхода

которого сигнал, соответствующий углу между током и напряжением - /нopм в нормальном режиме работы защищаемой сети и 1/5,4в аварийном режиме работы защищаемой сети, - поступает на вход порогового элемента 24. При этом сигналы i/gj отличны один от другого (фиг. 3). Пороговый элемент 24 должен быть отрегулирован таким образом, чтобы срабатьшать при сигнале и не срабатывать при сигнале

стробируемый сигнал. Сигнал ± d ;, поступает через инвертор 33 на вход сумматора 23. Сигнал напряжения U(t), снимаемый с выхода датчика 4 напряжений первого токопровода, разветвля- 45 ется в блок 40 несовпадения знаков сигналов тока и напряжения, блок 41 несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной, блок 42 совпадения знаков .сигналов напряжения и 50 его производной и формирователь 21 угла напряжения. Выход датчика 4 напряжения является вторым входом органа 8 управления. Сигнал U(t) на входе

которого сигнал, соответствующий углу между током и напряжением - /нopм в нормальном режиме работы защищаемой сети и 1/5,4в аварийном режиме работы защищаемой сети, - поступает на вход порогового элемента 24. При этом сигналы i/gj отличны один от другого (фиг. 3). Пороговый элемент 24 должен быть отрегулирован таким образом, чтобы срабатьшать при сигнале и не срабатывать при сигнале

корм мени t

КЗ имеет место в момент вре- J. Лри появлении сигнала (ff, на

выходе элемента 24 появляется управ

формирователя 21 угла напряжения раз-55 ° сигнал V,,, запускающий тирисветвляется в третий блок 34 стробирования и во второй дифференцирующий блок 25. С выхода блока 34 сигнал

торный коммутатор 6 первого токопро-. вода, который соединяет сеть с заземленным токоограничиваюшнм сопротивU(tpi) поступает на второй вход второго блока 38 деления. Сигнал U(t)p, снимаемый с выхода блока 35, поступает в третий пропорциональный блок 36, где изменяется в К раз (К К I/to). Затем сигнал K,U(t)p стробируется в четвертом блоке 37 стробнрования в момент времени t,; .

выхода блока 37 сигнал K,U(tp; )р

поступает на первый вход второго блока 38 деления. В блоке 38 сигнал ,- ) делится па сигнал U(tj ), результирующий сигнал поступает на вход второго блока 39 аппроксимации арктангенса, на выходе которого получается сигнал Idif.. соответствующий углу между сигналом напряжения в момент стробирования и ближайшим максимумом сигнала напряжения, имеющим тот же знак, что и стробируемый сигнал. Сигнал+ 4ср.. поступает на

I m

второй вход сумматора 23. В интервал времени несовпадения знаков сигналов тока и напряжения, а также несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной первая логическая схема И 43 подает команду на включение блока 46 положительного смещения С выхода блока 46 сигнал + К , соо т- ветствующий углу величиной +N, поступает на четвертый вход сумматора 23. В. интервал времени несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной вторая логическая схема И 44 подает команду на включение блока 45 отрицательного смещения. С выхода блока 45 сигнал -IT, соответст- вуюпц й углу величиной - , поступает

третий вход сумматора 23, с выхода

которого сигнал, соответствующий углу между током и напряжением - /нopм в нормальном режиме работы защищаемой сети и 1/5,4в аварийном режиме работы защищаемой сети, - поступает на вход порогового элемента 24. При этом сигналы i/gj отличны один от другого (фиг. 3). Пороговый элемент 24 должен быть отрегулирован таким образом, чтобы срабатьшать при сигнале и не срабатывать при сигнале

корм мени t

КЗ имеет место в момент вре- J. Лри появлении сигнала (ff, на

выходе элемента 24 появляется управ

° сигнал V,,, запускающий тиристорный коммутатор 6 первого токопро-. вода, который соединяет сеть с заземленным токоограничиваюшнм сопротивлением 7 перв ого токопровода« Процессы, протекающие в сети, иллюстрируются графиком фиг, 3, где 47 - график зависимости тока в нормальном (до момента времени t) и аварийном (с момента времени t),режимах, А8 - график .зависимости напряжения от yrjia 49 - график апериодической слагающей тока короткого замыкания, 50 - гра- фик периодической слагающей тока короткого замыкания. Здесь принято,, что в аварийном режиме работы защищаемой сети, вызванном коротким замыканием в точке К (на вводе потребителя пер- вого токопровода), ток изменяет угол на величину IT , то есть находится с током нормального режима в противофа- 36. Орган 11 управления тиристорного коммутатора второго токопровода в нормальном режиме работы и при коротком замьжании вблизи потребителей второго токопровода функционирует аналогично органу 8 управления тиристорного коммутатора первого токопро- вода в указанных режимах - нормальном и при коро тком замыкании вблизи потребителей первого токопровода; Орган В управления конструктивно полностью соответствует органу 11 управ- ления. Таким образом, устройство реагирует на ток аварийного режима при коротких замыканиях у потребителей по величине сдвига фаз меясду током и напряжением, прогнозируя данный сдвиг фаз, и позволяет существенно повысить надежность работы защищаемой сети.

Процесс контроля сдвига фаз между током и напряжением математически опи сывается следующим образом.

(u)t--if); j (t- (/)

(3)

(4)

Знак приближенного равенства в уравнениях-(3) и (А) говорит о том, что компонентами 1/uiTjj и 1/u) T пренебрегли,

Запишем уравнения (2) и (3) для произвольно выбранного момента време- (момента стробироваиия) в вини де

Ot

г sin (oJ

m

to,--If);. (5)

U() ()

(6)

Через интервал времени /j t после момента стробирования уравне шя (5) и (6) примут вид;

iit5it t)E (t, .st)-i/j:(7) U(t(j;+4t) )(tj5+/St)3(8)

Преобразуем уравнения дующим образом:

(7) и (8) сле

-1 Jsin(wt -(/)dosu)flt+

4- cos(w to,--M )sin4t ;(9j

(tj,.4-dt) ,;tp;cosu)4t+ t-coswt } s inUit (10)

Изобретение относится к области электротехники. Цель изобретения - по- вьшение быстродействия тока короткого замыкания. Система содержит понизительный тр-р 1 с двумя расщепленными обмотками, датчики 2,3 тока, датчики 4,5 напряжения первого и второго то- копроводов, тиристорные коммутаторы 6,9,,токоограничивающие сопротивления 7,10. Органы управления 8 и 11 определяют углы между токами и напряжениями, измеренными соответствуквдими датчиками. В нормальном режиме эти углы не превышают заданных. При КЗ например, в точке К фаза тока изменяется на обратнуЮ|Угол между током, и напряжением превышает заданный и орган управления 8 вырабатывает сигнал на включение тиристорного коммутатора 6. Ток КЗ ответвляется в токоограничиваю щее сопротивление 7. Быстродействие повышается в результате постоянного отслеживания угла сдвига фаз. 3 ил. (Л

Пусть ток и напряжение тда описываются соотношениям

t

TK

i(t)(u)t- if) U(t) ) t

где 1,1, - амплитуда тока, t - время, tf - угол сдвига между

напряжением (сдвиг Т - постоянная времени В нормальном режиме рабо ляющая I e tpasHa нулю.

Продифференцировав уравнение один и два раза, получим:

(1) Подставим уравнения (6) и (12) в уравнения (7) и (8)г

45

Продифференцируем уравнение по времени:

(2)

и cosuJt

tt

-Л 11)

50

Запишем уравнения (4) и (11) при t t,

Oi

y(tj2O W

1Ш1)Е1..1,,(,,)

(12)

)t.

iitiLliilE-

u)

Ш

COSuJilt +

.

W

siniuflt;

(13)

U(te)+dt)

UitoLlEsi tJ

U(tp; )coSOJ4t

Для определения интервала времени t от момента стробирования до ближайшего экстремума возьмем производные от функций (13), (14) и приравняем их к. нулю. Получим:

-ti(4-.)pl-nco 4.- iit.L).Ei,osu,.t,

0;

U(tQ. +it)p -U(t5 )wsinu at (tei Plcoswety 0

имеет.вид

Um

25

(16)

/« (Че.-Чг- .п, V

flt| w(t -tj)

(22)

Из анализу выражений (15) и (16) следует:

. Из анализа выражений (20) и (22),

tg . (17)30а также фиг. 3 очевидно, что сдвиг

, urnumwU(t,-)фаз между током и напряжением в нор. х .4 2мальном режиме работы стличей от сдви- flt/ ij Л 15 arctg-jf между током и напряжением в

аварийном режиме работы (при коротком

„,.ч /юч(; замыкании), для данного (Случая спраЗнак + в выражениях (17) и (18) ука- « «

зьшает на изменение знака угла в различных квадратных функциях арктангенса. Выражения (17) и (18) описывают действие блоков 32 и 39 соответствен- но (фиг. 2).

Для иллюстрации работы предлагаемой системы в нормальном и аварийном режимах работы защищаемой сети рас-.ведливо соотношение

W(t,-tj) 7

U) (t,, -tj )

(23)

40

В выражении (21) учитывается только периодическая составляющая Tofca . КЗ, поскольку апериодическая составляющая компенсируется в органе управления .

45 Техническим преимуществом-, предлагаемой системы по сравнению с прототипом является более высокое быстродействие, обусловленное конструкцией

стробирования t,, , угол в момент стро- управления, позволяющего осу- бирования и ществлять прогнозирование сдвига фаэ

Для данног о инте рвала и з выраже- . напряжением.

НИИ (2), (11), (17) и (18) справедливы соотношения:

смотрим ее действие в нормальном режиме работы и при КЗ в точке К (фиг. 1,3).

Нормальный режим.

Интервал времени (t., t), момент

Формула изобретения

U(t) 7 0; i(t) 0;

0;

, 0;

V(t)p 70;

Сдвиг фаз между током и напряжением в соответствии с выражением (19) имеет вид /„op/.(,-(

5 /зч-у с..-ir wCt,o-t,)

Аварийный режим рассмотрим на примере интервала времени (ti, t) в момент стробирования t при угле Lf xito-i) в момент стробироваш я. 10Для данного интервала из выраже- .

НИИ (2), (11), (17) и (18) справедливы соотношения:

U(t) 7 0; i(t) 0; 0;

,w 0; U(t)p 0;

(21)

20

Сдвиг фаз между током и напряжением в соответствии с выражением (21)

имеет.вид

/« (Че.-Чг- .п, V

flt| w(t -tj)

(22)

/ « «

ведливо соотношение

W(t,-tj) 7

U) (t,, -tj )

(23)

40

Формула изобретения

55 Система электроснабжения с токоог- раничением, содержащая понизительный трансформатор с двумя расщепленными вторичными обмотками, к которым подключены индивидуальные токопроводы и

потребители, а также два тиристорных коммутатора, каждый из которых имеет орган управления, связанный с датчиком тока, при этом вход тиристорного коммутатора подключен к соответствующему токопроводу, а выход подключен к заземленному токоограничивающему сопротивлению, отличающая- с я тем, что, с целью повьш1ения бы- ю стродействия ограничения тока короткого замыкания, она дополнительно содержит по одному датчику напряжения на вводе каждого токопровода, подключенному к органу управпения тирис- 15 торного коммутатора своего токопровода, датчик тока одного токопровода подключен к органу управления другого токопровода, а орган упракаения включает формирователь угла тока,20

подключенный на выход датчика тока формирователь угла напряжения, подключенный к выходу датчика напряжения, блок логики и сумматор, на выходе которого включен пороговьй элемент 25 таким образом, что последний своим выкодом связан с тиристорным коммутатором, причем формирователь угла тока содержит первый дифференцирующий блок и блок двойного дифференцирования, 30 входы которых объединены в общий вход формирователя угла тока, выход первого дифференцирующего блока через первый пропорциональньш блок и пер- вьй блок стробирования связан с пер- -jg вым входом первого блока деления, а выход блока двойного дифференцирования через второй пропорциональный блок и второй блок стробирования свя зан с вторым входом первого блока де- 40 ления, при этом выход первого блока -деления соединен с первым блоком ап- Проксимацяи арктангенса, который свя- зан через инвертор с первым входом сумматора, а выход инвертора являет- 45 ся одновременно выходом формирователя угла тока, при этом формирователь угла напряжения содержит третий блок стробирования и второй дифференцирующий блок, входы которых объединены в 50 общий.вход формиров ателя угла напряжения, причем выход второго дифферен- цирукяцего блока одновременно является первым выходом формирователя угла напряжения и через третий пропорциональный блок и четвертый блок стробирования связан с первым входом второго блока деления, выход третьего блока стробирования связан с первым входом второго блока деления, а выход четвертого блока стробирования связан с вторым входом второго блока деления таким образом, что выход второго блока деления соединен с вторым блоком аппроксимации арктангенса, выход которого связан с вторым входом сумматора и является вторым выходом формирователя угла напряжения, при этом блок логики содержит блок несовпадения знаков сигналов тока и напряжения, первый вход которого связан с выходом датчика тока, а второй вход - с выкодом датчика напряжения, блок несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной, первый вход каждого из которых связан с выходом датчика напряжения, а второй вход - с первым выходом формирователя угла напряжения, причем первый выход блока несовпадения знаков сигналов тока и напряжения подключен, на первый вход первой логической схемы И, второй вход которой связан с выходом блока несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной, второй вход блока несовпадения знаков сигналов тока и напряжения подключен на первый вход второй логической схемы И, второй вход которой соединен с выхо- дом блока совпадения знаков сигналов напряжения и его производной таким образом, что выход второй логической схемы И через блок отрицательного смещения связан с третьим входом сумматора, а выход первой логической схемы И через блок положительного смещения связан с четвертым входом сумматора, при этом выход блока отрицательного смещения образует первый вход блока логики, а выход блока положительного смещения образует второй вход блока логики, причем датчик напряжения содержит трансформатор напряжения, выход которого связан с контуром памяти.

л

tftit

cK/iJ