Устройство для резервной токовой защиты тупиковой линии с ответвлениями от междуфазного короткого замыкания Советский патент 1992 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к технике релейной защиты, и может найти применение для защиты линии с ответвлениями от удаленных междуфазных КЗ, возникших как на самой линии, так и за трансформаторами ответвлений, для защиты шинопроводов с ответвлениями, тяговых сетей метрополитена и железных дорог.

Известно устройство для токовой защиты от междуфазного КЗ трехфазной электроустановки, содержащее измерительные и пусковые органы, логические элементы И, ИЛИ, НЕ, ВРЕМЯ, блокирующий и исполнительный органы.

Уставка тока срабатывания устройства зависит от текущей нагрузки линии. Однако чувствительность его недостаточна, так как фиксируется изменение модуля тока в линии.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является устройство, которое содержит измерительные органы по числу фаз, каждый из которых выполнен в виде блока уставок, преобразователя. переменного тока фазы в выпрямленное напряжение, преобразователя напряжения фазы, выходы последних подключены соответственно к первому и второму входам аналого-цифрового преобразователя, первый выход которого подключен к первому входу и через первый регистр сдвига к второму входу первого вычитателя, последовательно соединенные элемент ВРЕМЯ и исполнительный орган, вход первого элемента ВРЕМЯ подключен к первому входу первого элемента И, к второму входу которого подключен выход второго элемента ВРЕМЯ, вход которого предназначен для подключения к выводу контакта Включить ключа управления выключателя, выход первого элемента И подключен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ, к второму входу которого подключены последовательно соединенные третий элемент ВРЕМЯ и второй элемент И, второй

(Л

С

j ю

00 Ю

вход которого и вход третьего элемента ВРЕМЯ объединены и предназначены для подключения к выходу указательного реле срабатывания АПВ, к первому входу и выходу элемента ПАМЯТЬ подключены соответственно выход и вход четвертого элемента ВРЕМЯ, второй вход элемента ПАМЯТЬ предназначен для подключения к реле положения Отключить, выход элемента ПАМЯТЬ подключен к третьему входу элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к первому входу третьего элемента И, второй вход которого подключен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя, входы третьего элемента И подключены к измерительным органам других фаз.

Цель изобретения - повышение чувствительности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для резервной токовой защиты тупиковой линии с ответвлениями от междуфазного короткого замыкания, содержащем измерительные органы по числу фаз, каждый из которых выполнен в виде блока уставок, преобразователя переменного тока фазы в выпрямленное напряжение, преобразователя напряжения фазы, выходы последних подключены соответственно к первому и второму входам аналого-цифрового преобразователя, первый выход которого подключен к первому входу и через первый регистр сдвига к второму входу первого вычитателя, последовательно соединенные элементы ВРЕМЯ и исполнительный орган, вход первого элемента ВРЕМЯ подключен к первому входу первого элемента И, к второму входу которого подключен выход второго элемента ВРЕМЯ, вход которого предназначен для подключения к выводу контакта Включить ключа управления выключателя, выход первого элемента И подключен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ, к второму входу которого подключены последовательно соединенные третий элемент ВРЕМЯ и второй элемент И, второй вход которого и вход третьего элемента ВРЕМЯ объединены и предназначены для подключения к выходу указательного реле срабатывания АПВ, к первому входу и выходу элемента ПАМЯТЬ подключены, соответственно выход и вход четвертого элемента ВРЕМЯ, второй вход элемента ПАМЯТЬ предназначен для подключения к реле положения Отключить, выход элемента ПАМЯТЬ подключен к третьему входу элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к первому входу третьего элемента И, второй вход которого подключен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя, входы третьего элемента

И подключены к измерительным органам других фаз, в измерительные органы каждой фазы введены преобразователь линейного напряжения двух других фаз, второй сдвиговый регистр, второй вычитатель блок уставок выполнен в виде постоянного запоминающего устройства, в устройство дополнительно введены формирователь тактовых импульсов, элемент И-НЕ, а при

0 этом выход преобразователя - линейного напряжения двух других фаз подключен к четвертому входу аналого-цифрового преобразователя, между вторым и третьим вхо5 дами которого подключен формирователь тактовых импульсов, второй выход аналого- цифрового преобразователя подключен к первому входу и через второй регистр сдвига к второму входу второго выключателя,

0 выходы первого и второго вычитателей подключены к входам постоянного запоминающего устройства, выход которого является выходом измерительного органа фазы и подключен к первому входу элемента И-НЕ,

5 другие входы которого подключены к измерительным органам других фаз, а выход подключен к входу первого элемента ВРЕМЯ, при этом аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде трех компараторов,

0 последовательно соединенных двухполупе- риодного выпрямителя и преобразователя напряжения в частоту, элемента задержки, двух элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, двух элементов НЕ, четырех элементов И,

5 двух реверсивных счетчиков импульсов и двух регистров памяти, при этом входы первого, второго и третьего компараторов являются соответственно вторым, первым и четвертым входами аналого-цифрового

0 преобразователя, к входу второго компаратора подключен вход двухполупериодного выпрямителя, выход первого и третьего компараторов подключены к первым входам первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮ5 ЩЕЕ ИЛИ соответственно, выход второго компаратора подключен к вторым входам первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к первому

0 входу четвертого элемента И и через первый элемент НЕ - к первому входу пятого элемента И, выход второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к первому входу седьмого элемента И и через второй эле5 мент НЕ - к первому входу шестого элемента И, вторые входы четвертого, пятого, шестого и седьмого элементов И объединены и подключены к выходу преобразователя напряжения в частоту, выходы четвертого и пятого элементов И подключены к первому прямому и второму реверсивному входам

первого реверсивного счетчика импульсов соответственно, выходы шестого и седьмого элементов И подключены к первому ре- версивному и второму прямому входам второго реверсивного счетчика импульсов соответственно, третьи установочные входы реверсивных счетчиков импульсов объединены и подключены к выходу элемента задержки, вход которого является третьим входом аналого-цифрового преобразователя и подключен к первым входам регистров памяти, выходы первого и второго реверсивных счетчиков импульсов подключены к вторым входам соответственно первого и второго регистров памяти, выходы которых являются соответственно первым и вторым выходами аналого-цифрового преобразователя.

На фиг. 1 представлена структурная схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений на выходах элементов.

На схеме обозначены измерительный преобразователь 1 тока фазы А, измерительные преобразователи 2 и 3 напряжения фазного А и линейного ВС, соответственно, аналого-цифровой преобразователь 4 (АЦП), цифровые вычитатели 5 и 6, сдвиго- вые регистры 7 и 8, постоянное запоминающее устройство 9 (ПЗУ), логический элемент И-НЕ 10, первый 11, второй 12 и третий 13 элементы И, логический элемент ИЛИ-НЁ 14, первый 15, второй 16,третий 17ичетвер- тый 18 элементы ВРЕМЯ, исполнительный орган 19, элемент ПАМЯТЬ 20, формирователь 21 тактовых импульсов и выключатель 22 защищаемой линии.

АЦП 4 содержит компараторы 23-25, двухполупериодный выпрямитель 26, преобразователь 27 напряжения в частоту, пер- вую и вторую функциональные логические схемы 28 и 29, первый и второй счетчики 30 и 31, а также первый и второй регистры 32 и 33 памяти и элемент 34 задержки. Каждая функциональная логическая схема (ФЛС) состоит из элемента И СКЛ ЮЧ АЮЩЕ Е И Л И 35, инвертора НЕ 36 и двух элементов И 37 и 38.

Принцип действия АЦП 4 основан на вычислении активной и реактивной составляющей тока фазы относительно фазного напряжения. Например, если осуществляется замер ортогональных составляющих тока фазы А, то подаются ток фазы А и междуфазное напряжение ВС. Поскольку требуются ортогональные составляющие тока, то осуществляется умножение на значение напряжения, которое преобразовано в прямоугольное, т.е. реализуется неявное умножение.

С выходов измерительных преобразователей 1-3 напряжения Ui, U2, Ua соответственно подаются Hd входы компараторов 23-25. Компараторы производят преобразование синусоидального сигнала в прямоугольный. Кроме того, напряжение Ui, пропорциональное току линии, подвергается выпрямлению в двухполупериодном вы- прямителе 26, с выхода которого напряжение подается на вход преобразователя 27 напряжения в частоту. Преобразователь 27 напряжения в частоту осуществляет преобразование мгновенного значения напряжения на входе в частоту импульсов на выходе. Импульсы с выхода преобразователя 27 напряжения в частоту с помощью двух ФЛС 28 и 29 подаются соответственно на входы счетчиков 30 и 31, ФЛС 28 составляется таким образом, чтобы при совпадении знаков мгновенных значений напряжений Ui и Уз импульсы попадали на прямой вход первого счетчика 30, а в случае их несовпадения - на реверсивный. Аналогично составляется вторая ФЛС 29, которая позволяет попадать на прямой вход счетчика 31 импульсам с выхода блока 27 в случае совпадения знаков мгновенных значений напряжений Ui и IJ2, а на реверсивный - в случае несовпадения знаков напряжений Ui, U2. Подсчет импульсов осуществляется в течение промежутка времени между импульсами на выходе элемента 34 задержки. Таким образом, содержимое счетчиков 30 к моменту появления импульса от элемента 34 задержки пропорционально среднему значению произведения напряжений Us и Ui, а счетчика 31 - среднему значению произведения напряжения IJ2 на напряжение UL Коды с выходов счетчиков 30 и 31 одновременно переписываются в регистры 32 и 33 памяти синхронизирующими импульсами, поступающими в АЦП от формирователя тактовых импульсов. Элемент 34 задержки предназначен для сброса счетчиков 30 и 31 после того, как их содержимое будет переписано в регистры 32 и 33 памяти .

ФЛС 28 и 29 работают следующим образом. Прямоугольные импульсы с выходов компараторов 23 и 25 поступают на вход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 35. На выходе элемента 35 уровень логической единицы соответствует наличию одновременно на входах логических нуля и единицы, но если на входах одновременно два логических нуля или две логические единицы, то на выходе элемента 35 -логический нуль. Выход элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ связан с входом элемента И 37 и через элемент Н Е 36 - с вторым элементом И 38, На вторые входы элементов И 37 и 38 подаются импульсы с выхода преобразователя 27 напряжения в частоту. Таким образом, на первом выходе ФЛС появляются счетные импульсы, если знаки Ui и Кз или U2 и Us не совпадают, а на втором выходе -, если совпадают.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме ток поступает на вход измерительного преобразователя 1 тока в напряжение переменного тока, а напряжение фазы А и линейное ВС .подключены к измерительным преобразователям 2 и 3 напряжения в напряжение переменного тока. С выходов измерительных преобразователей 1-3 сигналы поступают на входы АЦП 4. С первого выхода АЦП 4 сигнал, представляемый в цифровом виде, в параллельном коде (т разрядов), отображающий величину реактивной составляющей тока линии lm Отек), поступает на входы Уменьшаемое вычитателя 5 и на входы сдвиговых регистров, выходы которых подключены к входам Вычитаемое вычитателя 5. С второго выхода АЦП 4 сигнал, представляемый в цифровом виде, в параллельном коде (т разрядов), отображающий величину активной составляющей тока линии Re (тек), поступает на входы Уменьшаемое вычитателя 6 и на входы сдвиговых регистров 8, выходы которых подключены к входам Вычитаемое вычитателя 6. Многоразрядные сдвиговые регистры 7 и 8 по тактовым импульсам осуществляют запись выборки на входе и сдвиг ранее записанных. На выходе регистров 7 и 8 в каждый момент временипоявляютсявыборки, соответствующие предшествующему току пред в линии п тактов назад

R| (A I) R (1тек) Я|(1пред) .

AtIT Тфти

1гл (А I) lm Отек) тупред)

AtП Тфти

Причем Тфти ti - t(i-i), где Тфти - время,

равное периоду импульсов формирователя

тактовых импульсов (так как формирователь

тактовых импульсов синхронизируется от

напряжения системы,

то Тфти j 5

0,02 с), а п Тфти - время, в течение которого сдвиговые регистры полностью обновляют свою информацию. Величины приращений токов линии Im(Al) и Rl( Al) в каждый момент времени tj поступают в виде адреса в ПЗУ 9, таким образом устройство вычисляет вектор приращения тока линии. В рассматриваемом нормальном режиме вектор приращения мал по величине и не попадает в область срабатывания, которая была предварительно вычислена и записана в ПЗУ 9 до установки устройства в работу. На выходе ПЗУ 9 присутствует единичный логический сигнал, как и на измерительных органах других фаз, поэтому на выходе И-НЕ 10 сигнал отсутствует и устройство не срабатывает.

При КЗ за трансформатором ответвления линии или за реактором ответвления шинопровода вектор возникшего приращения попадает в расчетную область срабатывания устройства, т.е. величины lm( Al) и Ri(A I) составят тот адрес в ПЗУ 9, в котором записан нулевой логический сигнал. На выходе ПЗУ 9 появляется нулевой сигнал, который поступает на логический элемент

И-НЕ 10, инвертируется в единичный и поступает на элементы ВРЕМЯ 15 и на второй вход И 11, на первом входе которого сигнал присутствует от элемента ВРЕМЯ 16. Сигнал от первого элемента И 11 поступает на

второй вход элемента И Л И-НЕ 14, который инвертируется и запрещает подачу тактовых импульсов от формирователя 21 тактовых импульсов третьим элементом И 13 на синхронизирующие входы сдвиговых регистрое 7 и 8. На выходе сдвиговых регистров 7 и 8 останется сигнал, который присутствовал в момент tic, предшествующий возникно- вению вектора приращения тока, попавшего в ПЗУ 9 в область срабатывания.

Если это приращение возникло в результате самозапуска нагрузки линии, а от этого вектора приращения не всегда возможно отстроиться, т.е. он иногда совпадает с вектором КЗ и по величине, и по фазе, то от

такого режима приходится отстраиваться, как и в прототипе, по времени, что уменьшит быстродействие устройства. В таком неблагоприятном случае ток уменьшится, за время taan самозапуска вектор приращения

между текущим током и током, который был в момент tk, вернется в область несрабатывания до того, как сработает элемент ВРЕМЯ 15, а на втором входе третьего элемента И 13 появится единичный сигнал. На выходе

сдвиговых регистров через п импульсов тактового генератора 21 появится сигнал, пропорциональный новому текущему значению тока. Устройство не сработает, так как время ti работы первого элемента ВРЕМЯ 15

равно ti в т.зап + п -Тфти + Аи или

ti Грез + 11,

где Ati - время запаса;

tpea - время работы последней ступени защиты линии.

Если приращение тока возникло от КЗ за трансформатором ответвления, то вектор приращения тока попадет в область срабатывания в ПЗУ 9. Поэтому сдвиговые регистры 7 и 8 запомнят ток доаварийного режима. Через время ti элемент ВРЕМЯ 15 подаст сигнал исполнительному органу 19 на отключение выключателя 22.

При обнаружении КЗ кратковременный сигнал об отключении линии от защиты (основной или резервной) поступает на информационный вход элемента ПАМЯТЬ 20, который за счет элемента ВРЕМЯ 17 устанавливается в единичное состояние на время

t3 Т.АПВ + tBKfl + Atl,

где ГАПВ - время работы цикла АПВ;

1вкл время включения выключателя линии, поэтому ток доаварийного режима запоминается на время t3.

При включении линии от АПВ сигнал о действии АПВ поступает от указательного реле срабатывания АПВ на элемент ВРЕМЯ 18 и элемент И 12, действия которых обеспечивают запоминание доаварийного тока еще на время

t4 t1+At1.

Если после АПВ КЗ отсутствует, то разность на выходах вычитателей 5 и б изменится в меньшую сторону, вектор приращения выйдет из области срабатывания, так как самозапуск закончится раньше окончания работы элемента ВРЕМЯ 15. Устройство не срабатывает.

Если после АПВ КЗ не устранилось, то разности на выходах вычитателей 5 и 6 будут велики и вектор приращения тока останется в области срабатывания и через время ti исполнительный орган 19 подаст сигнал на отключение выключателя 22 линии.

При включении линии, находившейся например, в ремонте, вектор приращения может попасть в область срабатывания за счет того, что будет подключена вся нагрузка или большая ее часть (хотя обычно линия вводится с холостого хода). Чтобы устройство не сработало, сигнал о включении линии от ключа задержится на элементе ВРЕМЯ 16 на время

ta п- Тфти + ti.

С выхода элемента И 11 не будет поступать сигнал на запоминание тока, соответствующего отключенному состоянию линии, т.е. Ip 0 и через п -Тоти на выходе вычита- теля будет приращение, меньшее уставки, в результате, на второй вход элемента И 11 поступает нулевой сигнал, а еще через время ti на порвый вход поступит единичный сигнал и разрешит фиксировать вектор приращения, попадающий в область срабатывания.

Минимальный ток КЗ, на которое реаги рует устройство, равен

к.мин - Коте К4 ,макс

и не зависит от максимального рабочего тока линии 1р,макс. Расчеты показывают, что годограф вектора приращения самозапуска

нагрузки линии и годограф вектора приращения КЗ в большинстве случаев не совпадают по величине линии и фазе. Вследствие этого не только увеличивается чувствительность устройства, так как не следует отстраиваться от

0 величины приращения тока нагрузки трансформатора ответвления, но и уменьшается время работы устройства, потому что отпадает необходимость отстраиваться по времени самозапуска tsan.

5 Таким образом, предлагаемое устройство реагирует на токи КЗ, значительно меньшие тока максимальной нагрузки линии, и правильно работают в циклах АПВ. Чувствительность и быстродействие их выше, чем у

0 прототипа. Реализация устройства на элементах современной микросхемотехники позволит сделать его универсальным: без изменения схемы как для обычных линий, так и для реактированных шинопроводов.

5 Задание уставки сводится к программированию ПЗУ, которое осуществляется заранее. Микросхемы ПЗУ имеют, как правило, несколько выходов, появляется возможность выбирать уставку, используя отдель0 ные выходы ПЗУ. При этом задается сразу область срабатывания, что предпочтительно для чувствительной токовой защиты в сравнении с изменением порога срабатывания в известных технических решениях.

5 Устройство может быть легко реализовано с помощью широко распространенных микропроцессорных БИС.

Формула изобрете ни я Устройство для резервной токовой за0 щиты тупиковой линии с ответвлениями от междуфазного короткого замыкания, содержащее измерительные органы по числу фаз, каждый из которых выполнен в виде блока уставок, преобразователя переменного то5 ка фазы в постоянное напряжение, преобра- зователя напряжения фазы, выходы последних подключены соответственно к первому и второму входам аналого-цифрового преобразователя, первый выход кото0 рого подключен к первому входу и через первый регистр сдвига - к второму входу первого вычитателя, последовательно соединенные элемент ВРЕМЯ и исполнительный орган, вход первого элемента ВРЕМЯ

5 подключен к первому входу первого элемента И, к второму входу которого подключен выход второго элемента ВРЕМЯ, вход которого предназначен для подключения к выводу контакта Включение ключа управления выключателя, выход первого элемента И

подключен к первому входу элемента ИЛИ- НЕ, к второму входу которого подключены последовательно соединенные третий элемент ВРЕМЯ и второй элемент И, второй вход которого и вход третьего элемента ВРЕМЯ объединены и предназначены для подключения к выходу указательного реле срабатывания АПВ, к первому входу и выходу элемента ПАМЯТЬ подключены соответственно выход и вход четвертого элемента ВРЕМЯ, второй вход элемента ПАМЯТЬ предназначен для подключения к реле положения Отключено, выход элемента ПАМЯТЬ подключен к третьему входу элемента ИЛИ-НЕ, выход которого подключен к первому входу третьего элемента И, второй вход которого подключен к третьему входу аналого-цифрового преобразователя, входы третьего элемента И подключены к измерительным органам других фаз, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности, в измерительные органы каждой фазы дополнительно введены преобразователь линейного напряжения двух других фаз, второй сдвиговый регистр, второй вычитатель, блок уставок выполнен в виде постоянного запоминающего устройства, в устройство дополнительно введены формирователь тактовых импульсов, элемент И-НЕ, при этом выход преобразователя линейного напряжения двух других фаз подключен к четвертому входу аналого-цифрового преобразователя, между вторым и третьим входами которого подключен формирователь тактовых импульсов, второй выход аналого-цифрового преобразователя подключен к первому входу и через второй регистр сдвига - к второму входу второго вычитателя, выходы первого и второго вы- читателей подключены к входам постоянного запоминающего устройства, выход которого является выходом измерительного органа фазы и подключен к первому входу элемента И-НЕ, другие входы которого подключены к измерительным органам других фаз, а выход подключен к входу первого элемента ВРЕМЯ, при этом аналого-цифровой преобразователь выполнен в виде трех .компараторов, последовательно соединенных двухполупериодного выпрямителя и преобразователя напряжения в частоту, элемента задержки, двух элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, двух элементов НЕ, четырех элементов И, двух счетчиков импульсов и двух регистров памяти, при этом входы первого, второго и третьего компараторов являются соответственно вторым, первым и четвертым входами

аналого-цифрового преобразователя, к входу второго компаратора подключен вход двухполупериодного выпрямителя, выход первого и третьего компараторов подключены к первым входам первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ соответственно, выход второго компаратора подключен к вторым входам первого и второго элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, выход первого элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ подключен к первому входу четвертого элемента И и через первый элемент НЕ - к первому входу пятого элемента И, выход второго элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ подключен к первому входу седьмого элемента И и через второй элемент НЕ - к первому входу шестого элемента И, вторые входы четвертого, пятого, шестого и седьмого элементов И объединены и подключены к выходу преобразователя напряжения в частоту, выходы четвертого и пятого элементов И подключены к первому прямому и второму реверсивному входам первого счетчика импульсов соответственно, выходы шестого и седьмого элементов И подключены к первому реверсивному и второму прямому входам второго счетчика импульсов соответственно, третьи установочные входы счетчиков импульсов объединены и подключены к выходу элемента задержки, вход которого является третьим входом аналого-цифрового преобразователя и подключен к первым входам регистров памяти, выходы первого и второго счетчиков импульсов подключены к вторым входам соответственно первого и

второго регистров памяти, выходы которых являются соответственно, первым и вторым выходами аналого-цифрового преобразователя.

Сущность изобретения: введение в измерительный орган фазы преобразователя линейного напряжения двух других фаз, второго сдвигового регистра, второго вычи- тателя, выполнение блока уставок в виде постоянного запоминающего устройства, введение в устройство формирователя тактовых импульсов и элемента И-НЕ позволяет повысить чувствительность устройства.2 ил.