Устройство для защиты электрической сети от повреждений Советский патент 1990 года по МПК H02H3/08 H02H3/16 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических сетей с изолированной нейтралью от токов утечки и коротких замыканий, в том числе и для горных машин с регулируемым электропривод ом о

Целью изобретения является повышение надежности работы путем повышения точности измерения и контролируемых параметров

На чертеже приведена схема устройства

Устройство содержит источник 1 оперативного напряжения переменного тока с разделительным трансформатором на выходе, датчики сетевого напряжения 2 и тока нагрузки 3, первый 4 и второй 5 ключи, первый 6 и второй 7 интеграторы, первый 8 и второй 9 элементы ПАМЯТЬ, блок 10 установки в О, триггер 11, формирователь 12 импульсов, делитель 13 импульсов, разделительно-усилительный блок 14, блоки индикации 15 и присоединения 16, резистор 17 нагрузки, третий 18 и четвертый 19 интеграторы, первый 20 и второй 21 пороговые элементы,первый 22, второй 23 и третий 24 делители напряжений, первый 25 и второй 26 сумматоры, первый 27 и второй 28 блоки задания уставок, перемножитель 29, элемент 30 сравнения, элемент И 31, датчики сетевого напряжения 32 и тока нагрузки 33, силовой источник 34 - управляемый выпрямитель, выходной исполнительный блок 35, диод 36, резистор 37. На чертеже обозначены сопротивление RM изоляции жил кабеля относительно земли, емкость С ж. жил

сл vi

со

Јь

кабеля относительно земли, сопротивление R изоляции и емкость С между силовыми жилами кабеля, сопротивление ЛКС участка сети дли- ной &1, электродвигатель 38 постоянт ного тока, шунтирующий электродвигатель 39 - полупроводниковый диодо

Источник 1 оперативного напряжения имеет трансформаторный выход

Первая выходная обмотка разделительного трансформатора через второй ключ 5 подключается к жилам силовой сети Выходные параметры этого источ нйка измеряются датчиками оперативного напряжения 2 и тока 30 Управление вторым ключом Ь осуществляется посредством разделительно-усилительного блока 14 о

Первый интегратор b служит для суммирования величины тока нагрузки енератора оперативного напряжения ia заданный промежуток времени, определяемый задержкой времени t( , создаваемой последовательно включенным фор- жрователем импульсов 12 и делителем -змпульсов с первого его выхода Величина задержки t для повышения достоверности измерений может быть принята в пределах от единиц до десятков периодов сетевого или оперативного напряжения. Первый ключ 4 при аго открывании соединяет выход первого интегратора 6 с входом первого элемента ПАМЯТЬ 8, который служит для запоминания величины тока с выхода первого интегратора Ь0 Второй элемент ПАМЯТЬ 9 служит для запоминания величины выходного напряжения оперативного генератора 10 Второй интегратор 7 служит для суммирования сигнала, пропорционального величине суммарного (активной и емкостной составляющей) тока утечки, создаваемого силовым источником 37 в контролируемой гети. Третий интегратор 18 служит для гуммирования величины тока нагрузки лилового источника 34„ Четвертый интегратор 19 служит для суммирования сигнала, пропорционального выходному сетевому напряжению силового источ- П-лКа 34 а Суммирование производится за промежуток времени t, задаваемый делителем 13 импульсов с второго его выходао

Схема 10 установки в О служит для первоначальной установки в нуле

5

0

5

0

5

5

0

5

вое состояние интеграторов, элементов памяти и триггера 1„ Последний определяет режим работы разделительно-усилительного блока 14 и элементов И 31 „

Формирователь 12 импульсов и делитель 13 импульсов служат для формирования временного интервала t в течение которого источник опорного напряжения подключается к сети, и временного интервала t, за который измеряются токи нагрузки и утечки в силовой сети. Введение одноподупериодно- го выпрямителя с нагрузочным резистором в вход .ую цепь формирователя импульсов позволяет получать выдержку времени, кратную целому числу периодов оперативного напряжения

Разделительно-усилительный блок 14 служит для согласования выходной цепи триггера 11 с входными цепями второго ключа 5 и гальванической развязки между высоковольтными цепями этого ключа и низковольтными цепями управления о

Блок 15 индикации обеспечивает обслуживающий персонал информацией о срабатывании защиты при возникновении аварийных режимов0

Блок 16 присоединения выполняет функции разделения силовых и измерительных цепей защиты от утечек тока0 Резистор 17 нагрузки является измерительным элементом тока утечки силового источника 34 на землю0

Первый пороговый элемент 20 служит для установки порога срабатывания, соответствующего величине оперативного тока при коротком замыкании в обесточенной силовой сети Уставка второго порогового элемента 21 соответствует уровню срабатывания защиты от утечки тока4 на землк 0

Первый делитель 22 напряжений служит для вычисления величины сопротивления цепи нагрузки оперативного генератора 1 о

С помощью второго делителя 23 напряжений вычисляется уставка срабатывания защиты от короткого замыкания в силовой сети, соответствующая минимальному значению тока короткого замыкания при действующем напряжении на выходе силового источника 340 Третий делитель 24 напряжений служит для вычисления комплексного сопротивления утечки на землю в элементах силовой

сети о Первый сумматор 25 служит для вычисления значения сопротивления жил силового кабеля с учетом сопротивлений второго ключа 5 и силовых диодов 39, величины которых определены заранее и введены в первый блок 27 уставок, i

Перемножитель 29 с вторым блоком 28 уставок служит для вычисления емкостной составляющей сопротивления утечки на землю элементов силовой сети. В блок 28 уставок введена хараксотеристика силового кабеля Xtl./R

К ДА

YC

ответетвующая отношению емкостной X

и активной Rc составляющих километ- рического сопротивления кил силового кабеля,

С помощью элемента 30 сравнения выполняется сравнение текущего значения тока нагрузки с величиной уставки, рассчитываемой во втором делителе 23 напряжений.

Во втором сумматоре 26 вычисляется активная составляющая сопротивления утечки Rpo

Элемент И 31 служит для блокировки, исключающей подачу сигналов управления , на выходной исполнительный блок 35 на время подключения к сети источника 1 оперативного напряжения. Выходной исполнительный блок 35 обеспечивает управление силовым источником 34 по заданному закону.

Устройство работает следующим образом

При подаче на вход устройства сет,е вого напряжения начинает работать источник 1 оперативного напряжения

Ключи 4 и 5 находятся в закрытом состояниио Блок 10 установки в О устанавливает в нулевое состояние интеграторы 6, 7, 28 и 19, элементы ПАМЯТЬ 8 и 9 и включает триггер 11, В результате включения триггера 11 сигналом с первого его выхода через разделительно-усилительный блок 14 включается второй ключ 5 и генератор 1 оперативного напряжения подключается к жилам контролируемой силовой сети о На втором выходе триггера 11 формируется сигнал логического нуля и запрещается подача сигналов управления электроприводом блокировкой элемента И 31 о

С помощью формирователя 12 импульсов и делителя 13 импульсов отсчитывается выдержка времени t, подключе10

15

20

ния генератора 1 оперативного напряжения к контролируемой сети.

Величина напряжения оперативного источника с датчика 2 оперативного напряжения подается на второй элемент ПАМЯТЬ 9 и запоминается в нем.

Ток в цепи источника 1 оперативного напряжения создается за счет распределенного сопротивления утечки, емкости сети, сопротивления обмотки двигателя и тока через диод 39„ Этот ток содержит постоянную и переменную составляющие. Переменная составляющая определяется комплексными сопротивлениями утечки и якорной цепи электродвигателя. Постоянная составляющая Iп определяется сопротивлением жил кабеля,1 сопротивлением элементов второго ключа 5 и диода 39 в проводящем состоянии и : равна

п

U0n

Rc + RK, + R

5Я

J

0

5

0

где U

on

R. R

ki

R

39

величина выходного напряжения оперативного генератора 1;

сопротивление жил кабеля силовой сети;

соответственно сопротивления элементов ключа 5 и диода 39 в проводящем направлении

В первом интеграторе b суммируется сигнал, пропорциональный току источника 1 оперативного напряжения. Выходное напряжение первого интегратора 6 за период оперативного напряжения пропорционально постоянной составляющей тока. Суммирование величины тока за отрезок времени t обеспечивает получение среднего значения величины 5 тока, что снижает вероятность ошибки.

По истечении выдержки времени t , определенной формирователем 12 и делителем 13 импульсов, на его первом выходе формируется импульс, который переключает триггер 11 во второе состояние а Напряжение на выходе первого интегратора за это время достигает уровня

0

и,

- к, t«f )

где К - коэффициент пропорциональности;

on

частота напряжения оперативного генератора,

и через первый ключ 4 записывается в первый элемент ПАМЯТЬ 80 Триггер 11, переключившись первым своим выходом, отключает разделительно-усилительный блок 14, а вторым выходом формирует логическую единицу на первом входе элемента И 310 В результате выключаемся второй ключ 5, прекращая подачу оперативного напряжения на контролиру сеть, и снимается блокировка, запрещающая прохождение команды управления в выходной исполнительный блок 35 о

Сигнал с первого элемента ПАМЯТЬ 8 подается на первый пороговый элемент 200 При коротком замыкании в силовой сети постоянная составляющая выходного напряжения U, первого интегратора 6 меньше заданной пороговой ве- л ичины А первого порогового эле- ента 20, т0е0 U4 А,. При выполнении этого условия на выходе первого Порогового элемента 20 формируется Команда, препятствующая включению выходного исполнительного блока 35, И выдается информация на блок 15 индикации о наличии аварийного режима, что приводит к обесточиванию силового источника 34 о

При отсутствии короткого замыкания в силовой сети выполняется условие Uj А и сигнал на выходе первого порогового элемента 20 отсутствуйте На этом заканчивается процесс из- ерения сопротивления жил силовой сети и контроль наличия короткого за- Мыкания в обесточенном состоянии сети и может осуществляться работа электропривода в рабочем режиме

В рабочем режиме с помощью первог делителя 22 напряжений выполняется операция деления напряжений Uon с выхода второго элемента ПАМЯТЬ 9, соответствующего среднему значению вели- чины оперативного напряжения и напряжения U, с выхода первого элемента ПАМЯТЬ 8о В результате на первом выходе делителя 22 формируется сигнал Ucu пропорциональный суммарному со- противлению силовой сети,ключа 5 и диода 39 оперативному току, т0е.

Уде.

и и,

кгкг у

где К, - коэффициент пропорциональ

кости,-

С помощью первого сумматора 25 из суммарного сопротивления R- вычитаюся значения сопротивлений RR второго ключа 5 в открытом состоянии и диода R,,, в проводящем состоянии, величины которых установлены в первом блоке 27 задания уставок

Сигнал на выходе первого сумматора 25 пропорционален сопротивлению жил силового кабеля Rc, т„е„

ис, Kj(R2. )K3Rc ; где К- - коэффициент передачи сумматора,,

С помощью второго делителя 23 напряжений вычисляется уставка срабатывания устройства защиты от токов короткого замыкания I к, МИи ;соответст- вующая действующему напряжению в силовой сети в рабочем режиме U и короткому замыканию в наиболее удельной точке сети, т0е0

I.,

К.З. МИЙ

-v и -К4 R, ;

где К ц. - коэффициент передачи делителя 29 о

Значение UH подается с выхода четвертого интегратора 19.

В элементе 30 сравнения производится сравнение уставки срабатывания к 3. мин рассчитанной делителем 23 напряжений, с величиной тока нагрузки I/ц, значение которого формируется на выходе третьего интегратора 18 При отсутствии короткого замыкания 1М ЈЈк,мици на выходе элемента 30 сравнения сигнал отсутствуете

При возникновении короткого замыкания I IK.. длин и на выходе элемента 30 сравнения формируются команда на отключение выходного исполнительного блока 35 и сигнал в блок 15 индикациио С помощью перемножителя 29 и второго блока 28 уставок вычисляется емкостная составляющая сопротивления утечки силовой сети Хс в соответствии с формулой

, x R°i;:где X,,., и R,,,. - километрические знаKM

чения емкостного и омического сопротивлений жил силового кабеля, значение которых для конкретного типа кабеля известны и заносятся во второй блок 28 задания уставок„

С помощью третьего делителя 24 напряжений вычисляется комплексное сопротивление утечки в силовой сети RU в соответствии с формулой

и«

Vir

где I

U

- ток утечки, значение которого подается на второй вход делителя 24 с выхода второго интегратора 7.

Во втором сумматоре 26 вычисляется активная составляющая сопротивления

9

утечки R , равная Rd Хс

С помощью второго порогового элемента 21 величина активной составляющей сопротивления утечки Кд сравнивается с уставкой защиты от утечек

R

и при выполнении условия

R06

йст,

6 выходе порогового элемента 21 формируются команда на отключение выходного исполнительного блока 35 и сигнал в блок 15 индикации

Таким образом, изобретение позволяет контролировать возникновение аварийных режимов в электрической сети горных машин с регулируемым приводом - короткие замыкания и утечки на землюо

Формула изобретения

Устройство для защиты электрической сети от повреждений, содержащее источник оперативного напряжения переменного тока с разделительным трансформатором на выходе и с клеммами для подключения к контролируемой сети, блок присоединения с клеммами для подключения к фазам контролируемой сети и через резистор нагрузки к земле, датчик сетевого напряжения, датчик тока нагрузки, датчик оперативного тока, последовательно соединенные первый интегратор и первый ключ, а также второй и третий интеграторы, второй ключ, два пороговых элемента, два сумматора, перемножитель, элемент И, два делителя напряжения и выходной исполнительный блок, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности работы путем повышения точности измерения контролируемых параметров, дополнительно введены датчик оперативного напряжения, два элемента ПАМЯТЬ, блок установки в О, последовательно соединенные формирователь импульсов и делитель импульсов, третий делитель напряжения, два блока задания уставок, элемент сравнения, триггер, разделительно-усилительный

40

45

50

55

обмотке разделительного трансформа тора подключены датчик оперативног напряжения и первый вывод датчика ративного тока, второй вывод котор го и второй вывод датчика оператив го напряжения подключены к входам второго ключа, выходы которого пре значены для подключения к контроли руемой сети, выход датчика операти ного тока подключен к входу первог интегратора, выход первого ключа с динен с первым входом первого элемента ПАМЯТЬ , выход датчика опера ного напряжения подключен к первом входу второго элемента ПАМЯТЬ, вых блока установки в О соединен с в дами установки в О первого интег тора, первого элемента ПАМЯТЬ, вто го элемента ПАМЯТЬ, второго интегр тора, третьего интегратора, четвер го интегратора и с установочным вх дом триггера, выход первого элемен та ПАМЯТЬ соединен с входом первог порогового элемента и первым входо первого делителя напряжения, с вто рым входом которого соединен выход второго элемента ПАМЯТЬ, к второй выходной обмотке разделительного трансформатора через1диод подключе шунтирующий резистор, к выходным з жимам которого подключены входы фо мирователя импульсов, первый выход делителя импульсов соединен с упра ляющим входом первого ключа и счет ным входом триггера, первый выход торого через разделительно-усилител ный блок подключен к управляющему ду второго ключа, а второй выход п ключен к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к к ке Пуск, второй выход делителя и пульсов соединен с первым входом вт рого интегратора, первым входом че вертого интегратора и первым входом третьего интегратора, второй вход п следнего подключен к выходу датчика тока нагрузки, к выходу датчика сет вого напряжения подключен второй вх четвертого интегратора, к выходу бл ка присоединения подключен второй вход второго интегратора, выход вто го интегратора подключен к первому входу третьего делителя напряжения, первый вход второго делителя напряж ния соединен с вторым входом третье го делителя напряжения и выходом пе

блок, четвертый интегратор и блок ин- вого сумматора, а выход - с первым

Ь73497Ю

дикации, ггри этом к первой выходной

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

обмотке разделительного трансформатора подключены датчик оперативного напряжения и первый вывод датчика оперативного тока, второй вывод которого и второй вывод датчика оперативного напряжения подключены к входам второго ключа, выходы которого предназначены для подключения к контролируемой сети, выход датчика оперативного тока подключен к входу первого интегратора, выход первого ключа соединен с первым входом первого элемента ПАМЯТЬ , выход датчика оперативного напряжения подключен к первому входу второго элемента ПАМЯТЬ, выход блока установки в О соединен с входами установки в О первого интегратора, первого элемента ПАМЯТЬ, второго элемента ПАМЯТЬ, второго интегратора, третьего интегратора, четвертого интегратора и с установочным входом триггера, выход первого элемента ПАМЯТЬ соединен с входом первого порогового элемента и первым входом первого делителя напряжения, с вторым входом которого соединен выход второго элемента ПАМЯТЬ, к второй выходной обмотке разделительного трансформатора через1диод подключен шунтирующий резистор, к выходным зажимам которого подключены входы формирователя импульсов, первый выход делителя импульсов соединен с управляющим входом первого ключа и счетным входом триггера, первый выход которого через разделительно-усилительный блок подключен к управляющему входу второго ключа, а второй выход подключен к первому входу элемента И, второй вход которого подключен к кнопке Пуск, второй выход делителя импульсов соединен с первым входом второго интегратора, первым входом четвертого интегратора и первым входом третьего интегратора, второй вход последнего подключен к выходу датчика тока нагрузки, к выходу датчика сетевого напряжения подключен второй вход четвертого интегратора, к выходу блока присоединения подключен второй вход второго интегратора, выход второго интегратора подключен к первому входу третьего делителя напряжения, первый вход второго делителя напряжения соединен с вторым входом третьего делителя напряжения и выходом первходом элемента сравнения, второй вход которого подключен к выходу третьего интегратора, а выход - к выходу первого порогового элемента, при это ы выход первого делителя напряжения через последовательно соединенные первый сумматор, перемножитель, второй сумматор и второй пороговый элемент подключен к выходу первого порогового элемента, к вторым входам

первого сумматора, перемножителя и второго сумматора подключены соответственно выходы первого блока задания уставки, второго блока задания уставки и выход третьего делителя напряжения, выход первого порогового элемента подключен к входу блока индикации и первому входу выходного исполнительного блока, соединенному с выходом элемента И„

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам релейной защиты от коротких замыканий и токов утечки. Цель изобретения - повышение надежности работы путем повышения точности измерения контролируемых параметров. Поставленная цель достигается за счет измерения средних значений за заданное время интегрирования и периодического обнуления интеграторов, введения операции измерения параметров сети и вычисления активной составляющей сопротивления утечки для конкретной протяженности сети. 1 ил.