Устройство для определения расстояния до места повреждения в электрических сетях с изолированной нейтралью Советский патент 1991 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к контрольно- измерительной технике и может быть использовано для определения расстояния до места повреждения в электрических сетях с изолированной нейтралью.

Цель изобретения - повышение точности определения расстояния до места повреждения.

На чертеже представлена функциональная схема устройства.

Устройство содержит первый 1, второй 2 и третий 3 генераторы синусоидального тока (звуковой частоты), блок 4 присоединения, первый 5, второй 6 и третий 7 тиристор- ные ключи, первый 8, второй 9 и третий 10 дроссели переменного тока, первый 11, второй 12 и третий 13 блоки управления тири- сторными ключами, датчик 14 напряжения нулевой последовательности, первый 15, второй 16 и третий 17 датчики тока, первый 18, второй 19, третий 20, четвертый 21, пятый 22 и шестой 23 фильтро-развязываю- щие узлы, избиратель 24 поврежденной фазы, блок 25 измерения,блок 26 вычисления и блок 27 индикации, датчик 28 напряжения обратной связи, генератор 29 пилообразного напряжения, нелинейный элемент 30, регулируемый 31 и постоянный 32 резисторы, быстродействующий аналоговый ключ 33 с нормально замкнутым 34 и нормально разомкнутым 35 контактами, амплитудный детектор 36, нуль-орган 37, формирователь 38 импульсов управления, контролируемая сеть 39 и клеммы 40 для подключения обь- екта контроля, причем первый, второй итре- тий входы блока 4 соединены с соответствующими клеммами 40, первые выходы каждого из генераторов 1-3 соединены с общей шиной, второй выход генератора 1 индуктивно связан с датчиком 15 и соединен с первым выходом блока 4, второй выход генератора 2 индуктивно связан с датчиком 16 и соединен со вторым выходом блока 4, второй выход генератора 3 индуктивно связан с датчиком 17 и соединен с третьим выходом блока 4, первые выводы первого 15, второго 16 и третьего 17 датчиков соединены с общей шиной, выход блока 25 соединен с входом блока 26, выход которого соединен с входом блока 27, первые выводы первого 8, второго 9 и третьего 10 дросселей соединены с общей шиной, второй вывод дросселя 8 соединен через ключ 5 со вторым выходом генератора 1 и первым выходом блока 4, второй вывод дросселя 9 соединен через ключ 6 со вторым выходом генератора 2 и со вторым выходом блока 4, второй выход третьего дросселя 10 соединен через третий ключ 7 со вторым выходом генератора 3 и с третьим выходом блока 4,

вторые выводы первого 15, второго 16 и третьего 17 датчиков соединены с входами первого 18, второго 19 и третьего 20 узлов, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих блоков 11, 12 и 13, и соответственно с первым, вторым и третьим входами избирателя 24, входы четвертого 21, пятого 22 и шестого 23 узлов соединены со вторыми выходами соответственно пер0 вого 1, второго 2 и третьего 3 генераторов, а выходы этих узлов - со вторыми входами соответствующих блоков 11, 12 и 13 и соответственно, с четвертым, пятым и шестым входами избирателя 24, третьи входы бло5 ков 11. 12 и 13 соединены с соответствующими выходами датчика 14 напряжения нулевой последовательности, а выходы блоков 11, 12 и 13 подключены к управляющим входам соответствующих ключей 5, 6 и 7,

0 при этом первый и второй выходы избирателя 24 соединены соответственно с первым и вторым входами блока 25.

Первый вход датчика 28 напряжения обратной связи соединен с первым входом

5 блока 11 управления, а второй вход - со вторым входом блока 11 управления и с входом генератора 29 пилообразного напряжения. Выход датчика 28 напряжения обратной связи соединен с входом нелиней0 ного элемента 30 и с регулируемым резистором 31.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме работы электри5 ческой сети при открытых тиристорных ключах 5-7 ток каждого из трех генераторов 1-3 замыкается по двум параллельным цепям: одна часть тока lci протекает через собственную емкость Ci соответствующей

0 фазы относительно земли, а другая часть этого тока ILI - через соответствующие тири- сторный ключ 5, 6 или 7 и дроссель переменного тока 8, 9 или 10.

Токи lei и In создают в магнитопроводах

5 датчиков 15-17 тока соответствующие магнитные потоки, причем вследствие того, что эти токи находятся в противофазе друг с другом, магнитный поток, создаваемый током lci, компенсируется магнитным пото0 ком, создаваемым током ILI. Во время настройки устройства, изменяя эквивалентное индуктивное сопротивление каждого дросселя путем регулировки углов управления тиристорными ключами 5-7, с помощью

5 блоков управления 11-13 добиваются, чтобы индуктивные токи дросселей полностью компенсировали соответствующие емкостные токи.

В процессе эксплуатации при возможных изменениях токов lci, вызванных изменениями собственных емкостей проводов вследствие оперативных переключений линий или других причин, регулировка токов ILI и поддержание равенств In ILI осуществляется блоками 11-13 управления автоматически.

Ввиду равенства токов la и ILI результирующие магнитные потоки, создаваемые при этом в магнитопроводах каждого датчика тока, равняются нулю, и, следовательно, ЭДС во вторичных обмотках датчиков в нормальном режиме отсутствуют.

Зпоигимость эквивалентного индуктивного сопротивления дросселей переменного токл о г угла управления тиристорными ключами 11-13 описывается выражением

Мэ я.(2г$ - sin 2tti),(1)

где индуктивное сопротивление соответствующего дросселя 8, 9 или 10 при закороченных тиристорных ключах; Kloi 2л11| ;

f- частота генераторов;

LI -индуктивность соответствующего дросселя при закороченных тиристорных ключах;

(Т( - угол управления соответствующим тиристорным ключом 5. 6 или 7.

При изменении угла управления (Х от О до я/2 сопротивление к.л изменяется от оо до Moi

Индуктивность дросселей LI выбирается исходя из условия

A.Lol 1/(2jrf С|макс) ,(2)

где Сыакс - максимально возможная емкость провода соответствующей фазы электрической сети относительно земли.

Значение Сыакс может быть определено экспериментально либо при известной в каждом конкретном случае максимальной длине макс электрической сети рассчитано по формуле

С|макс Coi макс.(3)

где Coi - удельная емкость прооода соответствующей фазы электрической сети относительно земли.

При возникновении однофазного замыкания на землю через переходное сопротив- л е н и е, например, первой фазы электрической сети изменяется ток первого генератора 1. При этом к существующим тока ci и li.i добавляется ток замыкания 1Э, протекающий по цепи: первый генератор 1 - блок присоединения 4 - активное и индуктивное сопротивления участка первой фазы линии до места повреждения - переходное активное сопротивление земля - первый генератор 1.

Магнитный поток, создаваемый этим током в магнитопроооде первого 15 датчика

5

0

тока, оказывается нескомпенсированным, что приводит к появлению во вторичной обмотке этого датчика ЭДС Е. пропорциональной току замыкания

5Е к13,(4)

где к - коэффициент пропорциональности, одинаковый у всех датчиков тока и определяемый их конструктивными параметрами и материалом магнитопроводов.

0ЭДС Е отстает от напряжения генератора Uri, с учетом собственного угла датчиков тока, составляющего 90°, на угол

Ч 9QP + а ,

где а- угол сдвига фаз между напряжением Uri и током 13;

- °оЈ-г&- 6

где LO - удельная индуктивность провода;

1Х - расстояние до места однофазного замыкания на землю:

г0 - удельное активное сопротивление провода;

RM - активное переходное сопротивление в месте однофазного замыкания на землю.

Исходя из изложенного, информацию о расстоянии до места однофазного замыкания на землю при условии компенсации тока lei током дает частное от деления реактивной составляющей напряжения первого генератора (Ui 1 sin (Ч - 90°) на ЭДС Е.

В соответствии с этим при возникновении однофазного замыкания на землю срабатывает избиратель 24 поврежденной фазы и по истечении заданной выдержки времени (если повреждение устойчивое) подключает входы блока 25 измерения к вы- 0 ходам первого 18 и четвертого 21 фильтро- развязывающих узлов.

1 Напряжения на выходах фильтроразвя- зывающих узлов 18 и 21 прямо пропорциональны соответственно ЭДС Е первого 5 датчика тока 15 и напряжению Uri первого генератора 1. Блок 25 измерения из указанных напряжений формирует два других напряжения, одно из которых, с учетом выражения (4), пропорционально току Ij за- Q мыкания, а второе - реактивной составляющей первого генератора 1.

Результаты измерений поступают в блок 26 вычислений, который по ним произ- 5 водит расчет расстояния до места однофазного замыкания нэ землю с учетом выражения (4) - (6) по формуле

. к Vri sin(M -90°),„

,х-2 П7Е- (7)

5

0

5

Результат расчета передается п блок 27 индикации, который представляет его в цифровом виде на табло.

При однофазном замыкании на землю другой фазы электрической сети устройство работает аналогично.

Компенсация емкостных токов lei во время однофазного замыкания на землю достигается тем, что при его возникновении по первому броску напряжения на выходе датчика 14 напряжения нулевой последовательности блоки 11-13 управления фиксируют значения углов управления, имеющих место к данному моменту времени, и в дальнейшем, если повреждение устойчивое, эти углы остаются неизменными. В связи с этим индуктивные токи также не будут изменяться. Но, так как они вплоть до возникновения повреждения равняются соответствующим емкостным токам (компенсируют их), то, следовательно, и при наличии однофазного замыкания на землю указанные равенства сохраняются во всех фазах, в том числе и в поврежденной.

Работу блоков 11-13 управления тири- сторными ключами рассмотрим на примере первого блока 11. Угол управления тири- сторным ключом 5 зависит от уровня напря- жения управления, которое при нормальном режиме работы электрической сети поступает на второй вход нуль-органа 37 через нормально замкнутый контакт 34 быстродействующего аналогового ключа 33 непосредственно с нелинейного элемента 30.

Во время настройки устройства уровень этого напряжения регулируют вручную путем изменения сопротивления регулируемого резистора 31 такими образом, чтобы напряжение на выходе первого 18 фильтро- развязывающего узла, а следовательно, и на выходе датчика 28 напряжения обратной связи, стало равным нулю (в этом случае ток Id полностью компенсируется током 1ц).

Если во время эксплуатации ток lei изменится по величине, например уменьшится по какой-либо причине, то это приводит к появлению постоянного напряжения, пропорционального геометрической сумме токов lei и ILL на выходе датчика 28 напряжения обратной связи. Причем это напряжение будет положительным, так как в данном случае суммарный ток генератора 1 отстает от его выходного напряжения на 90° вследствие того, что больше ICL Появление указанного положительного напряжения на выходе датчика 28 обратной связи приводит к возрастанию постоянного напряжения на входе нелинейного элемента 30, что вызывает уменьшение его сопротивления. Вследствие этого снижается уровень напряжения управления и угол а управления тиристорным ключом 5 уменьшается. При уменьшении угла управления а в

соответствии с выражением (1) происходит пропорциональное увеличение эквивалентного сопротивления первого дросселя 8 переменного тока и ток ILI снижается. В конечном итоге он становится равным но0 вому значению емкостного тока IGI.

Если же емкостный ток lei по какой-либо причине увеличивается, то угол управления а также увеличивается в связи с появлением отрицательного постоянного

5 напряжения на выходе датчика 28 напряжения обратной связи. В результате, с учетом (1) ток 1ц увеличивается и вновь становится равным ICL

Таким образом, в нормальном режиме

0 работы электрической сети происходит автоматическое регулирование угла управления (л. и за счет этого все время поддерживается равенство токов lei и ILL При возникновении однофазного замы5 камня на землю по первому броску напряжения нулевой последовательности на выходе датчика 14 напряжения нулевой последовательности появляется сигнал, по которому быстродействующий аналоговый

0 ключ 33 размыкает нормально замкнутый контакт34 и замыкает нормально разомкнутый контакт 35. При этом амплитудный детектор 36 фиксирует значение напряжения, которое к данному моменту времени выде5 ляется на сопротивлении нелинейного элемента 30. Так как напряжение, выделяющееся на сопротивлении нелинейного элемента 30 во время однофазного замыкания на землю, всегда больше, чем при

0 нормальном режиме работы электрической сети (ввиду того, что ток замыкания носит индуктивный характер и по величине он.зна- уительно превосходит суммарный ток lei + ILI при ILI Id), то с учетом принципа рабо5 ты амплитудного детектора 36. напряжение управления при однофазном замыкании остается неизменным по величине и равным зафиксированному амплитудным детектором напряжению. Следовательно, угол уп0 равления также остается неизменным и равным тому значению, которое было к моменту возникновения однофазного замыкания на землю.

При ликвидации однофазного замыка5 ния на землю быстродействующий аналоговый ключ 33 переключается и исходное состояние и блок 11 управления вновь переходит в режим слежения и автоматической компенсации токаICL

Второй 12 и третий 13 блоки управления тиристорными ключами 6 и 7 работают аналогично.

Формула изобретения 1. Устройство для определенно рассш- яния до места повреждения в электри ос|/их сетях с изолированной нейтралью, содержащее клеммы для подключения обьокта контроля, блок присоединения, первый. второй и третий генераторы синусоидального тока, первый, второй и третий датчики тока, выполненные в виде кольцевого маг- нитопровода с расположенной на нем вторичной обмоткой с двумя выводами, избиратель поврежденной фазы, блок измерения, блок вычисления и блок индикации, первый, второй и третий входы блока присоединения соединены с соответствующими клеммами для подключения к объекту контроля, первые выходы каждого из трех генераторов синусоидального тока соединены с общей шиной, второй пыход перього генератора синусоидального тока индуктивно связан с первым датчиком тока и соединен с первым выходом блока присоединения, второй выход второго генератора синусоидального тока индуктипно связан с вторым датчиком тока и соединен с вторым выходом блока присоединения, второй выход третьего генератора синусоидального тока индуктивно связан с третьим датчиком тока и соединен с третьим выходом блокл присоединения, первые выводы первого, второго и третьего датчиков тока соединены с об пей шиной, выход блока измерения соединен с входом блока вычисления, выход которого соединен с входом блока индикации, о ч л- ичающееся тем, что, с цепью повышения точности определен ил расстояния до места повреждения, в нею введены три дросселя переменного тока, три тиристор- ных ключа, три блока управления тиристор- нымиключами,шесть

фильтроразвязыпающих узлов, причем первые выводы первою, второго и третьего дросселей переменного тока соединены с общей шиной, второй вывод первого дросселя через первый тиристорный ключ соединен с вторым выходом первого генератора синусоидального тока и с первым выходом блока присоединения, второй вывод второго дросселя через второй гиристорный ключ соединен с вторым выходом второго генератора синусоидального тока и вторым выходом блока присоединения, второй вывод дросселя соединен через третий тиристорный ключ с вторым выходом третьего генератора синусоидального тока и третьим выходом блока присоединения, вторые выводы первого, второго и фетьего датчиков

шка соединены с входами соответственно первого, второго и третьего фильтроразвя- зывэющнх узлов, выходы первого, второго и третьего фильтроразоязывающих узлов сое- 5 динепы с первыми входами соответствующих блоков управления тиристорными ключами и соответственно с первым, вторым и третьим входами избирателя поврежденной фазы, входы четвертого, пятого и 0 шестого фильтрорээвязывэющих узлов соединены с вторыми выходами соответственно первого, второго и третьего генераторов синусоидального тока, а выходы этих узлов - г, вторыми входами соответствующих бло- 5 коп управления тиристорными ключами и соответственно с четвертым, пятым и шестым входами избирателя поврежденной фазы, третьи входы блоков управления тиристорными ключами соединены с соот0 ветствующими выходами датчика напряжения нулевой последовательности, а выходы блоков управления подключены к управляющим входам соответствующих тиристор- ных ключей, при этом первый и второй

5 выходы избирателя поврежденной фазы соединены соответственно с первым и вторым ьхсдами блока измерения

2. Устройство поп 1,отличающее- с я тем,что блок управления тиристорным

0 ключом содержит датчик напряжения обратной связи, генератор пилообразного напряжения, регулируемый и постоянный резисторы, нелинейный элемент, быстродействующий аналоговый ключ с нормально

5 замкнутым и нормально разомкнутым контактами, амплитудный детектор, нуль-орган и формирователь импульсов управления, причем первый вход датчика напряжения обратной связи соединен с первым входом

0 блока управления, а второй вход - с вторым входом блока управления и с входом генератора пилообразного напряжения, выход которого соединен с первым входом нуль- органа, выход датчика напряжения обрат5 ной связи соединен с входом нелинейного элемента и через регулируемый резистор с положительным полюсом источника постоянного напряжения, первый выход нелинейного элемента соединен через нормально

0 замкнутый контакт быстродействующего аналогового ключа с вторым входом нуль- органа, а через нормально разомкнутый контакт - с входом амплитудного детектора, и через постоянный резистор - с положи5 тельным полюсом источника постоянного напряжения, второй выход нелинейного элемента соединен с общей шиной источника постоянного напряжения, управляющий вход быстродействующего аналогового ключа подключен к третьему входу блока

11166698812

управления, выход амплитудного детектора мирователя импульсов управления, выход соединен с третьим входом нуль-органа, которого подключен к выходу блока упрэв- выход нуль-органа соединен с входом фор- ления.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для определения расстояния до места повреждения в электрических сетях с изолированной нейтралью. Цель изобретения - повышение точности определения расстояния до места повреждения. При возникновении короткого замыкания срабатывает избиратель 24 поврежденной фазы и подключает входы блока 25 измерения к выходам первого 18 и четвертого 21 фильтроразвязывающих узлов. Блок 25 измерения формирует при этом два напряжения, одно из которых пропорционально току замыкания, а второе - реактивной составляющей тока первого генератора 1. Результаты измерения поступают в блок 26 вычисления, где определяется расстояние до места повреждения. С выхода блока 26 вычисления информационный сигнал поступает на блок 27 индикации. 1 ил.