Устройство для защиты электрической сети от повреждений Советский патент 1991 года по МПК H02H3/08 H02H3/17 

Предлагаемого изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических сетей с изоли- рованной нейтралью от токов утечки и коротких замыканий, в том числе и для горных машин с регулируемым электроприводом.

Целью изобретения является повышение точности защиты от утечек тока на землю при изменении емкости сети.

На чертеже приведена структурная схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник оперативного напряжения переменного тока (генератора) 1 с разделительным трансформатором на выходе, датчики оперативного

напряжения 2 и оперативного тока 3, первый 4 и второй 5 ключи, первый 6 и второй 7 интеграторы, первый 8 и второй 9 элементы ПАМЯТЬ, блок установки в нуль 10, триггер 11, формирователь импульсов 12, делитель импульсов 13, разделительно-усилительный блок 14, блок индикации 15, блок присоединения 16, резистор нагрузки 17 третий и четвертый интеграторы 18 и 19, первый 20 и второй 21 пороговые элементы, первый 22, второй 23 и третий 24 делители напряжений, первый 25 и вюрой 26 сумматоры, первый 27 и второй 28 блоки задания уставок перемножитель 29, элемент сравнения 30, первый 31 и второй 32 квадраторы, блок извлечения квадратного корня 33, элемент

а ел

Os

0

ю

4

to

И 34, датчики сетевого напряжения 35 и тока нагрузки 36, силовой источник - управляемый выпрямитель 37, выходной исполнительный блок 38, шунтирующий резистор 39 и диод 40.

На чертеже приведены также обозначения следующих параметров и элементов: RH - сопротивление изоляции жил кабеля относительно земли, Сж - емкость жил кабеля относительно земли, RK, Ск - сопротивление изоляции и емкость между силовыми жилами кабеля, Л Rc - сопротивление участка сети длиной Д1, 41 (D)- электродвигатель постоянного тока, 42 (VD) - полупроводниковый диод, шунтирующий электродвигатель D.

Источник оперативного напряжения 1 имеет трансформаторный выход. Выходная первая обмотка разделительного трансформатора (W2) через второй ключ 5 подключается к жилам силовой сети. Выходные параметры этого источника измеряются датчиками оперативного напряжения 2 и тока 3. Управление вторым ключом 5 осуществляется посредством разделительно-усилительного блока 14.

Первый интегратор 6 служит для суммирования величины тока нагрузки генератора оперативного напряжения за заданный промежуток времени ti, создаваемый последовательно включенными формирователем импульсов 12 и делителем импульсов 13 с первого его выхода. Величина ti для повышения достоверности измерений может быть принята в пределах от единиц до десятков периодов сетевого или оперативного напряжения. Первый ключ А при его открывании соединяет выход первого интегратора 6 с входом первого элемента ПАМЯТЬ 8 для записи в него информации о величине оперативного тока. Второй элемент ПАМЯТЬ 9 служит для запоминания величины выходного напряжения оперативного генератора 1. Второй интегратор 7 служит для суммирования сигнала, пропорционального величине суммарного (активной и емкост- ной составляющей) тока утечки, создаваемого силовым источником 37 в контролируемой сети. Третий интегратор 18 служит для суммирования величины тока нагрузки силового источника 37. Четвертый интегратор 19 служит для суммирования сигнала, пропорционального выходному напряжению силового источника 37. Суммиро- вание производится за промежуток времени t2, задаваемый делителем импульсов 13 со второго его выхода.

Блок установки в нуль 10 служит для первоначальной установки в нулевое состояние интеграторов 6, 7, 18. 19, элементов ПАМЯТЬ 8 и 9 и триггера 11. Триггер 11 определяет режим работы разделительно- усилительного блока 14 и элемента И34.

Формирователь импульсов 12 и делитель импульсов 13 служат для формирования временного интервала ti, в течение которого источник оперативного напряжения подключается к сети, и временного ин0 тервала t2, за который измеряются сетевое напряжение и токи нагрузки и утечки в силовой сети. Введение диода 40 с нагрузочным резистором 39 в входную цепь формирователя импульсов 12 позволяет

5 получать выдержку времени ti. кратную целому числу периодов оперативного напряжения.

Разделительно-усилительный блок 14 служит для согласования выходной цепи

0 триггера 11с входными цепями второго ключа 5 и гальванической развязки между высоковольтными цепями этого ключа и низковольтными цепями управления.

Блок индикации 15 обеспечивает обслу5 живающий персонал информацией о сраба- тывании защиты при возникновении аварийных режимов.

Блок присоединения 16 выполняет функции разделения силовых и измерительных

0 цепей. Резистор нагрузки 17 является измерительным элементом тока утечки силового источника 37 на землю.

Первый пороговый элемент 20 служит для установки порога срабатывания, соот5 ветствующего величине оперативного тока при коротком замыкании в обесточенной силовой сети. Уставка второго порогового элемента 21 соответствует уровню срабатывания защиты от утечек тока на землю.

0Первый делитель напряжений 22 служит для вычисления величины сопротивления цепи нагрузки оперативного генератора 1.

5С помощью второго делителя напряжений 23 вычисляется уставка срабатывания защиты от короткого замыкания в силовой сети, соответствующая минимальному значению тока короткого замыкания при дейст0 вующем напряжении на выходе силового источника 37. Третий делитель напряжений 24 служит для вычислений комплексного сопротивления утечки на землю в элементах силовой сети. В первом сумматоре 25 вычис5 ляется сопротивление жил силового кабеля с учетом сопротивлений второго ключа 5 и полупровод пикового диода VD в проводящем состоянии, величины которых определены заранее и введены в первый блок уставок 27.

Перемножитель 29 с вторым блоком уставок 28 служит для вычисления емкостной составляющей сопротивления утечки на землю элементов силовой сети. В блок уставок 28 введена характеристика силово- го кабеля X км/R км, соответствующая отношению емкостной Хс и активной Ra составляющих километрического сопротивления жил силового кабеля.

С помощью элемента сравнения 30 вы- полняется сравнение текущего значения то- ка нагрузки с величиной уставки, рассчитываемой во втором делителе 23.

Первый квадратор 31 служит для возведения в квадрат напряжения, пропорцио- нального емкостной составляющей сопротивления силовой сети Хс. Второй квадратор 32 служит для возведения в квадрат напряжения, пропорционального полному сопротивлению утечки Ry.

Во втором сумматоре 26 вычисляется разность квадратов сопротивлений утечки Ry и емкостной составляющей Хс. С помощью блока извлечения квадратного корня 33 вычисляется активная составляющая сопротивления утечки Ra.

Элемент И34 служит для блокировки, исключающей подачу сигналов управления на выходной исполнительный блок 38 на время подключения к сети источника опера- тивного напряжения 1. Выходной исполнительный блок 38 обеспечивает управление силовым источником 37 по заданному закону.

Устройство работает следующим обра- зом.

При подаче на вход устройства сетевого напряжения начинает работать источник оперативного напряжения 1.

Ключи 4 и 5 находятся в закрытом состо- янии. Блок установки в нуль 10 устанавливает в нулевое состояние интеграторы 6, 7, 18 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 оперативного напряжения 1 подключается к жилам контролируемой силовой сети. На втором выходе триггера 11 формируется сигнал ло- гического нуля и запрещается подача сигна- лов управления электроприводом блокировкой элемента И34.

С помощью формирователя импульсов 12 и делителя импульсов 13 отсчитывается выдержка времени tt подключения генератора оперативного напряжения 1 к контролируемой сети.

Величина напряжения источника 1 с датчика оперативного напряжения 2 подается на второй элемент ПАМЯТЬ 9 и запоминается в нем.

Ток в цепи источника оперативного напряжения создается за счет распределенного сопротивления утечки Ru, RK емкости сети Ск сопротивления обмотки двигателя и тока через диод VD. Этот ток содержит постоянную и переменную составляющие. Переменная составляющая определяется комплексными сопротивлениями утечки и якорной цепи электродвигателя. Постоянная составляющая 1П определяется последовательно включенными сопротивлением жил кабеля RCI сопротивлением элементов второго ключа 5 R«2 и сопротивлением RVD диода VD в проводящем состоянии и равна

--ТГ

где Don - величина выходного напряжения оперативного генератора 1,

Ry Rr + R K2 + RVD.

В первом интеграторе 6 суммируется сигнал, пропорциональный току оперативного генератора 1. Выходное напряжение первого интегратора 6 за период оперативного напряжения пропорционально постоянной составляющей тока In. Суммирование величины тока за отрезок времени п обес печизает получение среднего его значения.

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

Ui Kitifonln,(2)

где KI - коэффициент пропорциональности;

fon - частота напряжения оперативного генератора,

и через первый ключ 4 будет записано в первый элемент ПАМЯТЬ 8.

Триггер 11, переключившись первым своим выходом, отключает разделительно- усилительный блок 14, а вторым выходом формирует логическую единицу на первом входе элемента И34. В результате выключается второй ключ 5, прекращая подачу оперативного напряжения на контролируемую сеть и снимается блокировка, запрещающая прохождение команды управления в выходной исполнительный блок 38.

Сигнал с выхода-первого элемента ПАМЯТЬ 8 подается на первый пороговый элемент 20. При коротком замыкании в силовой сети постоянная составляющая выходного напряжения Ui первого интегратора 6 меньше заданной величины AI первого порогового элемента 20, т.е. Ui Ai. При выполнении этого условия на выходе первого порогового элемента 20 формируется команда, препятствующая включению выходного исполнительного блока 38, и выдается информация на блок индикации 15 о наличии аварийного режима. Силовой источник 37 при этом не включается.

При отсутствии короткого замыкания в силовой сети выполняется условие Ui Ai и сигнал на выходе первого порогового элемента 20 отсутствует. На этом заканчивается процесс измерения сопротивления силовой сети и контроль наличия короткого замыкания в обесточенном состоянии сети и может осуществляться работа электропривода в рабочем режиме.

В рабочем режиме с помощью первого делителя напряжений 22 выполняется операция деления напряжений Una c выхода второго элемента ПАМЯТЬ 9, соответствующего среднему значению величины оперативного напряжения и напряжения Uni с выхода первого элемента ПАМЯТЬ 8. В результате на его выходе формируется сигнал Ugi, пропорциональный суммарному сопротивлению Rs жил силовой сети, ключа 5 и диода D оперативному току, т.е. Un2 Um

(3)

Величина UH снимается с датчика сетевого напряжения 35 и усредняется за время t2 с помощью четвертого интегратора 19. Значение UH подается на входы второго и

третьего делителей напряжений с выхода четвертого интегратора 19.

В элементе сравнения 30 производится сравнение уставки срабатывания U.a.min, рассчитанной во втором делителе напряжений 23, с величиной тока нагрузки н, значение которого формируется на выходе третьего интегратора 18. При отсутствии короткого замыкания в контролируемой силовой сети IH IK a.min и на выходе элемента

сравнения 30 сигнал отсутствует. При возникновении короткого замыкания в сети выполняется условие

1н , 1к.э.т1п(6)

и на выходе элемента сравнения 30 форми- руются команда на отключение выходного исполнительного блока 38 и сигнал в блок индикации 15.

В результате силовой источник 37 обесточивается.

Также в рабочем режиме с помощью перемножителя 29 и второго блока уставок 28 вычисляется емкостная составляющая сопротивления утечки силовой сети Хс в соответствии с формулой

R

Мсм

км

(7)

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических сетей с регулируемым электроприводом. Целью изобретения является повышение точности защиты от утечек тока на землю при изменении емкости сети При включении питания генератор оперативного напряжения 1 подключается к жилам контролируемой сети через ключ 5 на время, определяемое формирователями. По параметрам оперативного напряжения блоком интегрирования 6, блоком памяти 8 вычисляется величина оперативного тока, блоком перемножения 29, блоком уставок 28 вычисляется емкостная составляющая сопротивления утечки, блоком деления 24 вычисляется комплексное сопротивление утечки, блоками квадратов 31. 32. сумматором 26, блоком извлечения квадратного корня 33 вычисляется активная составляющая сопротивления утечки В случае превышения оперативным током величины уставки порогового элемента 20, соответствующей короткому замыканию, или превышения величины активной составляющей уставки порогового элемента 21, срабатывает исполнительный блок 38. в результате источник 37 отключается а блок индикации 15 указывает причину аварийного отключения 1 ил с/ С

(К2 - коэффициент пропорциональности).

С помощью первого сумматора 25 из суммарного сопротивления Rt вычитаются значения сопротивлений R к2 ключа 5 в открытом состоянии и диода R UD в проводящем состоянии, величины которых установлены в первом блоке задания уставок 27.

Сигнал на выходе первого сумматора 25 U d пропорционален сопротивлению жил

силового кабеля Rc, т.е.

U ci - MV R к2 - RUD) KsRc (4) (Кз коэффициент передачи сумматора).

С помощью второго делителя напряжений 23 вычисляется уставка срабатывания устройства защиты от токов короткого замыкания и.э min, соответствующая действующему напряжению в силовой сети в рабочем режиме UH и короткому замыканию в наиболее удельной точке сети, т.е.

(5)

1к.з.гл1п - К$

RC

23).

(К/ - коэффициент передачи делителя

где Хкм и RKM - километрические значения емкостного и омического сопротивлений жил силового кабеля, значения которых для

конкретного типа кабеля известны и заносятся во второй блок задания уставок 28.

С помощью третьего делителя напряжений 24 вычисляется комплексное сопротивление утечки в силовой сети Ry в

соответствии с формулой

«У (8)

у

где 1У - ток утечки, значение которого подается на второй вход делителя 24 с выхода второго интегратора 7.

В квадраторах 31 и 32 вычисляются квадраты величин Хс и Ry. Во втором сумматоре 26 вычисляется квадрат активной составляющей сопротивления утечки Ra2 в соответствии с формулой

Ra2 Ry2 - Хс2.(9)

С помощью блока извлечения квадратного корня 33 вычисляется активная составляющая сопротивления утечки Ra в силовой сети, равная

Ra Ry2-Xc2.(10)

С помощью второго порогового элемента 21 величина активной составляющей сопротивления утечки Ra сравнивается с уставкой защиты от утечек Ryo, величина которой равна порогу срабатывания второго блока уставок 28, при выполнении условия

Ra

Rycr

на выходе порогового элемента 21 формируется команда на отключение выходного исполнительного блока 38 и сигнал в блок индикации 15.

В результате силовой источник 37 отключается и в блоке индикации фиксируется причина аварийного отключения.

При отсутствии аварийных ситуаций выходной исполнительный блок 38 обеспечи- вает управление силовым источником 37 и соответственно режимом работы двигателя в соответствии с заданными законами.

Таким образом данное техническое решение позволяет контролировать воз- никновение аварийных режимов в электрической сети горных машин с регулируемым приводом - короткие замыкания и утечки на землю.

Повышение точности защиты от утечек тока при изменении емкости сети обеспечивается за счет введения алгоритма точного

вычисления активной составляющей сопротивления утечки в силовой сети - в соответствии с формулой (10). Указанный алгоритм вычисления позволяет автоматически компенсировать емкостную составляющую тока утечки независимо от емкости сети. Это свойство предлагаемого технического решения позволяет расширить область применения регулируемых электроприводов постоянного тока.

Формула изобретения Устройство для защиты электрической сети от повреждений по авт.св. № 1573497, отличающееся тем, что. с целью повышения точности защиты от утечек тока на землю при изменении емкости сети, дополнительно введены два квадратора и блок извлечения квадратного корня, причем выход перемножителя подключен через последовательно соединенные первый квадратор, второй сумматор и блок извлечения квадратного корня к входу второго порогового элемента, а выход третьего делителя напряжений через второй квадратор соединен с вторым входом второго-сумматора.