Устройство для токовой защиты Советский патент 1992 года по МПК H02H3/08 

Изобретение относится к технике релейной защиты и автоматики энергосистем и может использоваться для токовой защиты линий электропередач и шин, а также опережающего деления сети.

Известно устройство для токовой защиты, реагирующее на квадрат амплитуды периодической составляющей тока и отличающееся высоким быстродействием. Насыщение трансформатора тока (ТТ) при коротких замыканиях (КЗ)может вызвать излишнее срабатывание этого устройства.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности является устройство, реагирующее на сумму квадратов первой и второй производной контролируемого тока, которая в первом приближении равна квадрату амплитуды периодической составляющей, и имеющее блокировку, предотвращающую излишнее срабатывание устройства при насыщении ТТ. Блокировка разрешает срабатывание устройства на интервалах времени совпадения знаков мгновенных

значений тока и его первой производной; после момента времени насыщения ТТ знаки этих величин становятся противоположными, и по данному признаку блокируется устройство. Однако вблизи момента выхода ТТ из насыщения возможно излишнее срабатывание устройства, поскольку при этом первая производная тока скачком изменяется до величины, соответствующей мгновенному значению периодической составляющей этой производной, а вторая производная тока приобретает форму пика, максимум которой может значительно превосходить амплитуду периодической составляющей этой производной в условиях без насыщения ТТ. При этом в зависимости от расположения момента выхода ТТ из насыщения знаки мгновенных значений тока и его первой производной могут быть как противоположными, так и совпадающими. В последнем случае блокировка разрешает срабатывание устройства и оно может сработать излишне, если от воздействия пика

д

Ч

О 00 О

второй производной сработает токовый орган

Целью изобретения является повышение надежности функционирования устройства для токовой защиты путем исключения излишних срабатываний в режиме КЗ, сопровождающегося насыщением измерительного ТТ.

Указанная цель достигается тем, что в устройство для токовой защиты, содержащее последовательно соединенные датчик тока, первой фазоповоротный элемент, первый квадратор и сумматор, последовательно соединенные второй фазоповоротный элемент и второй квадратор, включенные между выходом первого фазоповоротного элемента и вторым входом сумматора, первый компаратор, выход которого подключен к первому входу элемента И, источник питания и исполнительный элемент, дополнительно введены элемент извлечения квадратного корня, элемент времени, последовательно соединенные формирователь модуля, первый выпрямитель, первый резистор, второй выпрямитель, второй резистор, второй компаратор, конденсатор,- три резистора, при этом элемент извлечения квадратного корня включен между выходом сумматора и входом первого компаратора, к выходу датчика тока подключен вход формирователя модуля, конденсатор и третий резистор включены параллельно и подключены между входом второго выпрямителя и нулевым выводом источника питания, четвертый резистор включен между выводом отрицательного напряжения и инвертирующим входом второго компаратора, прямой вход которого через пятый резистор соединен с выходом формирователя модуля, а его выход соединен с вторым входом элемента И, выход которого через элемент времени подключен к входу исполнительного элемента.

Для распознавания режима насыщения ТТ учитывается, что величина модуля мгновенного значения контролируемого устройством тока в конце участка идеальной трансформации ТТ максимальна по сравнению со значениями тока следующего за ним участка насыщения.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2, 3 - эпюры сигналов, поясняющие функционирование устройства соответственно в режимах КЗ с апериодической и без апериодической составляющей тока при насыщении ТТ (номера эпюр соответствуют выходам функциональных элементов с теми же номерами).

Устройство содержит датчик тока 1, первый и второй фазоповоротные элементы 2 и 3, первый и второй квадраторы 4 и 5, сумматор 6, элемент извлечения квадратного корня 7, первый компаратор 8, логический элемент И 9, формирователь модуля 10, первый выпрямитель 11, первый резистор 12, второй выпрямитель 13, конденсатор 14, третий резистор 15, операционные усилители 16, 17 и диоды 18, 19 первого и второго выпрямителей 11 и 13, второй резистор 20, второй компаратор 21, четвертый и пятый резисторы 22 и 23, элемент времени 24, исполнительный элемент 25, источник питания2б.

Датчик тока 1 предназначен для гальванической развязки цепей и для преобразования контролируемого токз с выхода ТТ в сигнал с требуемыми для устройства параметрами.

Подключенный к выходу датчика тока 1 первый фазоповоротный элемент 2 сдвигает фазу синусоидальных сигналов на угол, близкий кС/2, в сторону опережения, причем на частоте соответствующей гармоники; это соответствует операции дифференцирования, в том числе и несинусоидального сигнала. Включенный на выход элемента 2 идентичный ему второй фазоповоротный

элемент 3 осуществляет второе дифференцирование сигнала.

Первый и второй квадраторы 4 и 5, подключенные соответственно к выходам первого и второго фазоповоротных элементов 2

и 3. формируют сигналы, пропорциональные квадратам поступающих на их входы сигналов. Сигналы с выходов квадраторов4 и 5 поступают на входы сумматора 6.

Сигнал с выхода сумматора 6 поступает

на вход элемента извлечения квадратного корня 7. Сигнал на входе элемента 7 имеет квадратичную зависимость, а на выходе - линейную (пропорциональную) зависимость от амплитуды периодической составляющей контролируемого тока; при этом увеличивается точность функционирования устройства.

С выхода элемента извлечения квадратного корня 7 сигнал поступает на вход первого компаратора 8, уставка срабатывания f которого выбирается из условия обеспечения требуемой чувствительности в режиме КЗ. Если сигнал на выходе элемента извлечения квадратного корня 7 превысит уставку срабатывания первого компаратора 8, то на первом входе логического элемента И 9 появится логическая единица и срабатывание устройства для токовой защиты в целом будет определяться функционированием

той части устройства, которая осуществляет блокировку при насыщении ТТ.

Сигнале выхода датчика тока 1 поступает на вход формирователя модуля 10, на выходе которого сигнал приобретает положительный знак,

С выхода формирователя модуля 10 сигнал подается на вход первого выпрямителя 11, выход которого через первый резистор

12подключен к входу второго выпрямителя

13и к первому выводу конденсатора 14. Второй вывод конденсатора 14 подключен

-к нулевому выводу источника питания 26. Вход второго выпрямителя 13, кроме того, через третий резистор 15 также подключен к нулевому выводу источника питания 26.

Первый и второй выпрямители 11 и 13, состоящие из операционных усилителей 16 и 17 и диодов 18 и 19, осуществляют неинвертирующую прецизионную передачу сигнала положительной полярности,

Первый резистор 12 предназначен для ограничения максимального выходного тока первого выпрямителя 11, Конденсатор 14 служит для запоминания напряжения на выходе первого выпрямителя 11. Снижение напряжения на входе первого выпрямителя 11 сопровождается разрядом конденсатора

14с заданной постоянной времени в диапазоне 10-15 мс, определяемой третьим резистором 15, поскольку сопротивление первого выпрямителя 11 со стороны его выхода и сопротивление второго выпрямителя 13 со стороны его входа значительно превышают сопротивление третьего резистора 15.

Выход второго выпрямителя 13 через второй резистор 20 подключен к инвертирующему входу операционного усилителя вто- рого компаратора 21, этот же вход операционного усилителя второго компаратора 21 подключен через четвертый резистор 22 к выводу отрицательного напряжения источника питания 26-Еп. Неинвертирующий (прямой) вход операционного усилителя второго компаратора 21 через пятый резистор 23 подключен к выходу формирователя модуля 10.

Второй компаратор 21 предназначен для сравнения напряжений на выходе формирователя модуля 10 и на выходе второго выпрямителя 13. Если напряжение на выходе второго выпрямителя 13 превышает напряжение на выходе формирователя модуля 10, то второй компаратор 21 срабатывает, напряжение на его выходе становится близким к отрицательному напряжению источника питания 26. В исходном состоянии напряжение на выходе второго компаратора 21 близко к положительному напряжению источника питания 26, что обеспечивается током через четвертый резистор 22 от вывода отрицательного напряжения источника питания 26 ,

Выход второго компаратора 21 подключен к второму входу логического элемента И 9, К выходу логического элемента И 9 подключен вход элемента времени 24, на выходе которого сигнал логической единицы

появляется через заданное время в диапазоне 0,3-0,5 мс после поступления сигнала логической единицы на его вход.

Выход элемента времени 24 подключен к входу исполнительного элемента 25. Сигнал с выхода исполнительного элемента 25, являющегося выходом устройства, появляется в режиме КЗ и осуществляет действия, устраняющие аварийный режим.

На фиг. 2 и 3 приведены эпюры сигналов, иллюстрирующие недостатки прототипа и работу введенных основных элементов. Тонкими линиями (сплошной, пунктирной и штрих-пунктирной) на эпюрах Ui - Уз показаны сигналы без насыщения ТТ. Постоянная времени затухания апериодической составляющей в токе КЗ на фиг. 2 (сигнал Ui) примерно равна 50 мс. Постоянная времени спада сигнала Уз равна 15 мс.

Устройство работает следующим образом.

В режимах КЗ (см. фиг. 2, 3) в интервале времени от начала КЗ до момента насыщения ТТ(в интервале идеальной трэнсформации) сигнал на выходе элемента извлечения квадратного корня 7 пропорционален амплитуде периодической составляющей контролируемого тока. Напряжение на выходе второго выпрямителя 13 в интервале идеальной трансформации равно напряжению на выходе формирователя модуля 10; на выходе второго компаратора 21 напряжение близко к положительному напряжению источника питания 26. Этот сигнал, соответствующий сигналу логической единицы, поступает на второй вход логического элемента И 9. Если величина периодической слагающей тока КЗ превысит уставку первого компаратора 8, последний срабатывает и

подаст сигнал логической единицы на первый вход логического элемента И 9, На выходе логического элемента И 9 появится сигнал логической единицы, сработает элемент времени 24 и через заданное время

подаст сигнал логической единицы на вход исполнительного элемента 25. На выходе исполнительного элемента 25 появится сигнал на отключение выключателей защищаемого объекта; устраняется аварийный режим.

В режимах КЗ в интервале времени насыщенного состояния ТТ сигналы первой и второй производных тока на выходах фазо- поворотных элементов 2 и 3 приобретают форму пика, а сигнал на выходе элемента извлечения квадратного корня 7 может значительно превысить амплитуду периодической составляющей контролируемого тока.

При насыщении ТТ напряжение на выходе формирователя модуля 10 становится меньше напряжения на выходе второго выпрямителя 13; срабатывает второй компаратор 21, на его выходе напряжение становится близким к отрицательному напряжению источника питания 26. Этот сигнал, соответствующий сигналу логического нуля, поступает на второй вход логического элемента И 9, предотвращая излишнее срабатывание устройства.

Элемент времени 24 предотвращает излишнее срабатывание устройства в интервале времени вблизи момента насыщения ТТ, когда врзможно излишнее срабатывание первого компаратора 8, но еще не произошло срабатывание второго компаратора 21. Как показывает анализ, срабатывание второго компаратора 21 происходит не позже, чем через 0,2-0,3 мс после излишнего срабатывания первого компаратора 8. Элемент времени 24 с установкой 0,3-0,5 мс позволяет устранить неправильное действие устройства.

Величина постоянной времени разряда конденсатора 14 выбирается такой, чтобы обеспечить нахождение второго компаратора 21 в сработанном состоянии а интервале времени насыщенного состояния ТТ в расчетном режиме КЗ с апериодической составляющей (см, фиг. 2).

Второй компаратор 21 возвращается в исходное состояние в интервалах идеальной трансформации каждые полпериода при отсутствии апериодической составляющей (см. фиг, 3)и каждый период при наличии апериодической составляющей (см. фиг. 2); при этом создаются условия работы части устройства, контролирующей амплитуду периодической составляющей тока КЗ,

Анализ показывает, что интервал времени нахождения второго компаратора 21 в исходном состоянии при идеальной трансформации составляет величину не менее 11,5 мс, что достаточно для обеспечения надежной работы устройства.

Время срабатывания устройства определяется элементом времени 24 и может составлять величину 0,3-0,5 мс.

Исключение излишних срабатываний позволяет увеличить срок службы высоковольтного оборудования на электростанциях и подстанциях и повысить надежность и устойчивость энергосистем.

Формула изобретения Устройство для токовой защиты, содержащее последовательно соединенные датчик тока, первый фазоповоротный элемент, первый квадратор и сумматор, последовательно соединенные второй фазоповоротный элемент и второй квадратор, включенные между выходом первого фазоповоротного элемента и вторым входом сум- матора. первый компаратор, выход которого подключен к первому входу элемента И, источник питания и исполнительный элемент, отличающееся тем, что,

с целью повышения надежности функционирования путем исключения излишних срабатываний в режиме короткого замыкания, сопровождающегося насыщением измерительного трансформатора тока, в него

дополнительно введены элемент извлечения квадратного корня, элемент времени, последовательно соединенные формирователь модуля, первый выпрямитель, первый резистор, второй выпрямитель, второй резистор, второй компаратор, конденсатор, три резистора, при этом элемент извлечения квадратного корня включен между выходом сумматора и входом первого компаратора, к выходу датчика тока подключен вход формирователя модуля, конденсатор и третий резистор включены параллельно и подключены между входом второго выпрямителя и нулевым выводом источника питания, четвертый резистор

включен между выводом отрицательного напряжения и инвертирующим входом второго компаратора, прямой вход которого через пятый резистор соединен с выходом формирователя модуля, а его выход соедийен с вторым входом элемента И, выход которого через элемент времени подключен к входу исполнительного элемента.

л п

Использование: для токовой защиты линий электропередач и шин, а также опережающего деления сети. Сущность изобретения: для распознавания режима насыщения трансформатора тока (ТТ) учитывается, что величина модуля мгновенного значения контролируемого устройства тока в конце участка идеальной трансформации ТТ максимальна по сравнению со значениями тока следующего за ним участка насыщения. 3 ил.

III ili

л Ч

из-г .гг

,f/п I1

K ±fSr|c5S

LW |bILff1

I1 I

Yл- , ., ,

|W/

J

95

I1

HM

Т

т

oeoiui

U UA

- f

II