Устройство быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий Советский патент 1992 года по МПК H02H3/87 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты сети постоянного тока от токов короткого замыкания.

Известно устройство быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий, содержащее датчик тока, дифференциатор и компаратор, реагирующее на величину производной тока, У этого устройства недостаточная чувствительность к токам короткого замыкания, поскольку при некоторых режимах нагрузки производная тока может быть больше по величине, чем при к.з. с малыми токами к.з.

Известно устройство быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий, содержащее датчик тока, выход которого подключен ко входу блока выделения будущего значения тока и компаратор, принятое за прототип. Это устройство, обладая большим быстродействием, не обладает избирательностью по отношению ктокам нагрузки и чувствительностью к тока к.з.

Это вызвано тем, что в тяговых сетях нагрузка возрастает сгупенями, а устройство по прототипу суммирует отдельные приращения тока, образующие эти ступени. Кроме того, возможны приращения тока нагрузки, соизмеримые с приращением тока удаленного к.з., например, при проезде воздушного промежутка контактной сети.

Цель изобретения - повышение чувствительности и улучшение отстройки от токов нагрузки.

Сущность изобретения заключается в том, что в известное устройство дополнительно введены блоки выделения приращения будущего значения тока и выделения приращения производной тока, элемент запрета, пороговый блок с памятью, при этом вход блока выделения приращения будущего значения тока соединен с выходом блока выделения будущего значения тока, вход которого объединен со входом блока выделения приращения производной тока, выход которого подключен ко входу порогового элемента с памятью, выход которого соединен с запрещающим входом элемента заXI

Јь Ю Ы

прета, к разрешающему входу которого через компаратор подключен выход блока выделения приращения будущего значения тока, выход элемента запрета соединен с выходом устройства.

Кроме того, в устройство между его выходом и выходом элемента запрета включен блок времени, выход которого соединен со входом сброса порогового элемента с памятью.

Кроме того, в устройство между его выходом и выходом элемента запрета или выходом блока времени включен элемент ИЛИ, свободный вход которого подключен к выходу блока выделения приращения будущего значения тока через второй компаратор.

Блок выделения будущего значения тока содержит сумматор, первый вход которого через элемент с большой постоянной времени и дифференциатор соединен с выходом датчика тока, выход которого подключен ко второму входу сумматора, а выход сумматора является выходом блока.

Блок выделения приращения будущего значения тока содержит операционный усилитель, прямой вход которого подключен к выходу блока выделения будущего значения тока, соединенному через первый ключ и резистор, шунтированные вторым ключом, к инверсному входу операционного усилителя, к которому присоединен запоминающий конденсатор, соединенный с нулем питания, к выходу операционного усилителя присоединен компаратор, соединенный выходом с первым элементом времени, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа и второму элементу времени, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа, выход операционного усилителя является выходом блока.

Благодаря этому анализируется каждое отдельное приращение тока, независимо от предыдущих приращений по двум параметрам, чем и достигается повышенная отстройка от токов нагрузки и повышение чувствительности,

На фиг.1 приведена структурная схема устройства быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий; на фиг.2 - структурная схема устройства с вторым компаратором и элементом ИЛИ; на фиг.З - структурная схема устройства с блоком времени; на фиг.4 - структурная схема блока выделения будущего значения тока; на фиг.5 - схема примера выполнения блока выделения будущего значения тока; на фиг.6 - схема примера выполнения блока выделения приращения будущего значения тока; на фиг.7

-схема примера выполнения блока выделения приращения производной тока; на фиг.8 приведены варианты выполнения порогового блока с памятью; на фиг.9 - временные диаграммы, поясняющие работу блока выделения будущего значения тока; на фиг. 10

-временные диаграммы, поясняющие работу блока выделения приращения будущего

значения тока; на фиг.11 - временные диаграммы, поясняющие работу устройства в целом.

Устройство быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий по фиг.1, содержит датчик 1 тока, блок 2 выделения будущего значения тока, включенный между датчиком 1 тока и блоком 3 выделения приращения будущего значения тока, блок 4 выделения приращения производства тока, вход которого подключен к выходу датчика 1 тока. Вход первого компаратора 5 подключен к выходу блока 3 выделения приращения будущего значения тока, пороговый элемент 6 с памятью включен

между выходом блока 4 и запрещающим входом элемента 7 запрета. Второй выход блока 3 выделения приращения будущего значения тока подключен к входам сброса блока 4 выделения приращения производной тока и порогового элемента с памятью 6. Выход последнего соединен с выходом всего устройства.

При включении в устройство второго компаратора 8, как показано нафиг.2, выход

элемента 7 запрета подключен к выходу всего устройства через элемент ИЛИ 9, другой вход которого подключен к выходу блока 3 выделения приращения будущего значения тока через второй компаратор 8.

Устройство по фиг.З содержит блок времени 8.1, включенный между выходом устройства и выходом элемента запрета, выход блока времени соединен со входом сброса порогового элемента с памятью,

Блок 2 выделения будущего значения тока (фиг.4) содержит элемент с большой постоянной времени 10.1. дифференциатор 10.2, сумматор 10.3. Первый вход сумматора 10.3 через элемент с большой постоянной

времени fO.1 и дифференциатор 10.2 соединен с выходом датчика тока 1. а выход сумматора является выходом блока. Элемент с большой постоянной времени может быть реализован с использованием RL- либо RCцепей. Особенностью этого элемента является то, что его постоянная времени должна быть больше максимальной величины постоянной времени тока удаленного к.з., порядка 0,3 с.

Пример выполнения этого блока приведен на фиг.5. Элемент 10.1 с большой постоянной времени реализован путем подключения одной обмотки датчика 1 к первичной обмотке трансреактора И, роль активного сопротивления цепи 10.1 играют активные сопротивления одной обмотки датчика 1 и указанной выше обмотки трансреактора, роль индуктивности играет индуктивность первичной обмотки трансреактора и датчика. Дифференциатор образован вторичной обмоткой трансреактора, напряжение на которой пропорционально производной тока его первичной обмотки. Сумматор 10.3 образован последователь- ным включением другой обмотки 1 и вторичной обмотки трансреактора 11. Полярность их включения обеспечивает вычитание одного сигнала из другого. Датчик тока в примере содержит на выходе дифференциатор, то есть является датчиком производной тока. Если датчик не имеет на выходе дифференциатор, то блок 2 имеет входные дифференциаторы.

Блок 3 выделения приращения будуще- го значения тока по фиг.6 включает в себя операционной усилитель ОУ 12, запоминающий конденсатор 13, включенный между инвертирующим входом ОУ 12 и общей точкой устройства, последовательную цепь из резистора 14 и первого ключа 15. Указанная последовательная цепь включена между входом блока 3 и инвертирующим входом ОУ 12. Второй ключ 16 может быть включен параллельно сопротивлению вышеупомяну- той последовательной цепи, либо параллельно самой цепи. Неинвертирующий вход ОУ 12 подключен ко входу всего блока. К выходу ОУ подключен вход компаратора 17, к выходу которого подключен первый эле- мент времени 18, к его выходу подключены вход второго элемента времени 19 и управляющий вход первого ключа 15, к выходу второго элемента времени 19 подключен управляющий вход второго ключа 16. Первый элемент времени 18 выдает сигнал заданной длительности при срабатывании компаратора 17, второй элемент времени 19 выдает сигнал заданной длительности при пропадании сигнала с первого элементам времени 18. Элементы 16 и 19 могут отсутствовать, но тогда увеличится время подготовки-к следующему приращению тока нагрузки.

Блок 3 выделения приращения произ- водной тока по фиг.7 включает в себя ОУ 12.1, запоминающий конденсатор 13.1, включенный между инвертирующим входом ОУ 12.1 и общей точкой устройства, последовательная цепь из резистора 14.1 и первого ключа 15.1. причем эта цепь включена между входом блока и инвертирующим входом ОУ 12.1. Второй ключ 16.1 включен параллельносопротивлениювыышеупомянутой цепи. Неинвертирующий вход ОУ 12.1 подключен к входу всего блока. Данный блок аналогичен блоку выделения приращения будущего значения тока и отличается от последнего лишь отсутствием компаратора и элементов времени, поэтому управление ключами 15.1 и 16.1 осуществляется подачей управляющих сигналов от соответствующих входов управления ключей 15 и 16 блока выделения приращения будущего значения тока. Возможен вариант выполнения блока, когда он будет иметь свой собственный компаратор и элементы времени, являясь полным аналогом блока 3 выделения приращения будущего значения тока. Тогда связи между блоками 3 и 4 не нужны, з уставки элементов времени будут соответствовать друг другу.

Пороговый блок с памятью 6 может быть выполнен по фиг.8. Он включает в себя компаратор 20 и элемент памяти 21. Порог сра- батывания задается с помощью компаратора 20. В первом случае выполнения блока его входом является вход элемента памяти в виде амплитудного детектора. Выход последнего подключен ко входу компаратора 10, а вход сброса амплитудного детектора является входом сброса порогового блока с памятью 6. Во втором случае выполнения компаратора 20 включен на входе блока 6, выход компаратора подключен к входу установки в 1 триггера 22, играющего роль элемента памяти. Выход триггера является выходом блока 6, вход установки в О является входом сброса блока б.

Работа блока 2 выделения будущего значения тока показана на фиг.9. Коивая 23 показывает увеличение тока нагрузки двумя приращениями. Производная тока 24 является выходным сигналом датчика 1. Под воздействием этого сигнала в элементе 10.1 с большой постоянной времени протекает ток, представленный кривой 25. Он затухает с постоянной времени цепи 10.1. После дифференцирования указанного сигнала блоком 10.2 форма выходного напряжения будет соответствовать кривой 26. Этот сигнал содержит в себе две экспоненциальные составляющие, одна из которых пропорциональна производной тока, другая пропорциональна приращению тока и затухает с постоянной времени элемента 10.1. После вычитания сигнала 26 из сигнала 24 с помощью сумматора 10.3, получают сигнал 27, амплитуда которого пропорциональна б дущему установившемуся значению тока в первичной обмотке датчика 1, причем амплитуда сигнала 27 появляется в первый момент времени, после появления приращения тока. Это свойство и дает основание для названия блока 2. Сигнал 27 затухает с указанной выше большой постоянной времени, т.е. практически неизменен за чрсмя анализа защитой начала приращения тока.

Работа блока выделения приращения будущего значения тока пояснена диаграммами на фиг. 10. Его входной сигнал, кривая 28, является выходным сигналом блока выделения будущего значения тока 2, В исходном состоянии, при отсутствии сигнала 28, ключ 15 замкнут, ключ 16 разомкнут. Изменение входного сигнала 28 поступают на инвертирующий вход ОУ 12 с задержкой, вносимой цепью RC, кривая 29. Благодаря задержке на выходе ОУ при изменении входного сигнала появляется напряжение - кривая 30, соответствующее разности входного 28 и задержанного 29 сигналов. От этого сигнала срабатывает компаратор 17, выходной сигнал которого представлен кривой 31. От переднего фронта этого сигнала запускается первый элемент времени 18, его сигнал представлен кривой 32. При появлении этого сигнала ключ 15 замыкается. Состояние ключа представлено кривой 33. По срезу сигнала 32 запускается второй элемент времени 19, выходной сигнал которого представлен кривой 34, при появлении этого сигнала ключ 16 замыкается, состояние ключа представлено кривой 35.

При размыкании ключа 15 конденсатор 13 запоминает практически величину сигнала перед его изменением. Поэтому напряжение на выходе ОУ пропорционально приращению входного сигнала 28. Выдерж- а времени элемента 18 определяет время выделения приращения сигнала, Величину этого времени выбирают большей суммы задержек, производимых другими элементами устройства для защиты и времени действия блока отключения выключателя. Кратковременное замыкание ключа 16 обеспечивает быстрый заряд конденсатора 13 до величины входного сигнала.

Блок выделения приращения производной тока работает аналогично блоку выделения приращения будущего значения тока, отличает его отсутствие компаратора и элементов времени. Это упрощает его.

Благодаря тому, что на выходе блока 2 нет гармонических составляющих, устройство для защиты работает и в сетях с боль- шим их уровнем. На работу блоков, 1 измеряющих производную тока, гармонические составляющие скажутся незначительно, т.к. производная тока в начале к.з. имеет максимальное значение и больше этих гармонических составляющих. Для полного устракения их влияния блок 5 выделения приращения производной тока может содержать на входе фильтр с небольшим коэф- фициентом сглаживания (5-20). Для компенсации задержки, вносимой фильт0 ром, компаратор 5 содержит на своем выходе элемент временной задержки, со временем порядка 1 мс.

Устройство в целом работает (фиг.11). Ток защищаемого фидера - кривая 36, дат5 чиком 1 преобразуется 8 производную тока, кривая 37. Сигнал на выходе блока 2 выделения приращения будущего значения тока представлен кривой 38. Этот сигнал поступает на блок 4 выделения приращения буду0 щего значения тока. Его выходной сигнал поступает на первый вход компаратора 5, кривая 39. Здесь же представлена уставка компаратора 5 прямой 40 и его выходной сигнал кривой 41.

5 Дл я отстрой ки за щиты от ра боч и х режи - мов использованы блоки 4 и 6. Блок 4 выделяет приращение производной тока, кривая 42, пороговый блок с памятью 6 запоминает превышение приращением производной то0 ка порогового уровня.

В режиме нагрузки компаратор 30 порогового блока с памятью 6 срабатывает при превышении уставки, кривая 43, и выходной сигнал порогового блока с памятью 6 запре5 щает с помощью элемента 7 прохождение сигнала компаратора 5, чем достигается отстройка от нагрузки.

Второй компаратор и логический элемент ИЛИ позволяет реагировать на к.з.

0 средней удаленности и близкие к.з., путем блокировки сигнала компаратора 5,

Таким образом, устройство позволяет в первый момент появления приращения тока определить его причину: к,з. или нагрузка,

5 обладая при этом высокой чувствительностью. Она достигнута за счет выделения величины приращений тока и производной тока каждого, отдельно взятого изменения тока, не суммируя их.

0 Применение устройства позволяет повысить надежность системы электроснабжения, в частности, ресурс и отключающую способность быстродействующего выключателя, т.к., он отключает меньшее значение

5 тока.

Формула изобретения 1. Устройство быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий, содержащее датчик тока, выход которого подключен к входу блока выделения будущего значения тока, и компаратор, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и улучшения отстройки от токов нагрузки, дополнительно введены блоки выделения приращения будущего значения тока и приращения производной тока, элемент запрета, пороговый блок с памятью и элемент ИЛИ, при этом вход блока выделения приращения будущего значения тока соединен с выходом блока выделения будущего значения тока, вход которого объединен с входом блока выделения приращения производной тока, выход которого подключен к входу порогового блока с памятью, выход которого соединен с запрещающим входом элемента ЗАПРЕТ, к разрешающему входу которого через первый компаратор подключен выход блока выделения приращения будущего значения тока, к выходу которого подключен второй компаратор, выходы элемента ЗАПРЕТ и второго компаратора подключены к входам элемента ИЛИ, выход которого является выходом устройства.

2. Устройство по п. 1, о т л и ч а ю щ е е- с я тем, что между выходом элемента ЗАПРЕТ и одним из входов элемента ИЛИ включен блок времени, выход которого соединен с входом сброса порогового элемента с памятью.

3.Устройство по п. 1,отличающее- с я тем, что блок выделения будущего значения тока содержит сумматор, первый вход которого через элемент с большой постоянной времени и дифференциатор соединен с выходом датчика тока, выход которого подключен к второму входу сумматора.

4.Устройство по п.1, отличающее- с я тем, что блок выделения приращения будущего значения тока содержит операционный усилитель, прямой вход которого подключен к выходу блока выделения будущего значения тока, соединенному через первый ключ и резистор, шунтированные вторым ключом, к инверсному входу операционного усилителя, к которому присоединен запоминающий конденсатор, соединенный с нулем питания, к выходу операционного усилителя присоединен компаратор, соединенный выходом с первым элементом времени, выход которого подключен к управляющему входу первого ключа и второму элементу времени, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа.

Сущность изобретения: производится отстройка от режимов нагрузки с большими величинами приращения производной тока, анализируется каждое отдельное приращение тока по величине и начальной величине производной тока 3 з п. ф-лы, 9 ил

Фиг. 3

I

t J

Фиг, 7

27

13Л

Ч

20

22

Фиг. 8

Фиг. S

Фиг. {О

айгрузка

к.з.

4иг.//