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

Изобретение относится к средствам безопасного применения электроэнергии в угольных шахтах, а также во взрывоопасных помещениях, атмосфера которых может содержать горючие газы и пары, обладающие в смеси с воздухом взрывчатыми свойствами.

Известен взрывобезопасный магнитный пускатель, содержащий корпус,внутри которого размещены разъединитель с механической блокировкой, блоки контактора, максимальной токовой, тепловой защит и защиты от утечек, индикации, управления, подключенные к блоку питания, кнопки дистанционного управления, чувствительные элементы блоков защит, причем блоки защит выполнены из соединенных последовательно анализирующих узлов и генераторов прямоугольных импульсов.

Известное устройство производит выработку управляющего сигнала в виде фиксированной частоты следования

прямоугольных импульсов при превышении максимального значения током,коммутируемым пускателем. Устройство исключает закорачивание выходных зажи-/ мов блока максимальной токовой защиты без отключения электроэнергии, поступающей потребителю. Недостатком известного устройства являются: возможность умышленного отключения чувствительных элементов от схемы максимальной токовой защиты при работе выходного генератора прямоугольных импульсов блока, а также - возможность быстрого: включения электроэнергии после срабатывания блока максимальной токовой защиты в связи с отсутствием у него защелки и - невозможность непосредственной оценки коммутируемого пускателем тока.

Известен также блок максимальной токовой защиты ПМ, содержащий чувствительные элементы - трансформаторы тока, выпрямитель, реостат токосо

с

VI

vi vi

Ю

сл

вой уставки, анализирующий узел на основе стабилитрона, исполнительный элемент На основе электромеханического реле, узел управления исполнительным элементом с защелкой, кнопку взвода защиты и узел проверки работы защиты.

Известное устройство позволяет производить отключение электроэнергии при возникновении короткого замыкания или недопустимо больших токов при перегрузке, разрешает включение электроэнергии потребителю после срабатывания защиты лишь при взводе защелки блока, а также - проверку работы блока защиты. Недостатками устройства являются возможность умышленного отключения блока защиты персоналом (при частом срабатывании блока ПМЗ) за счет либо отсоединения трансформаторов тока от схемы защиты, либо закорачивания контактов электромеханического реле, при этом электроэнергия продолжает поступать к потребителю при недопустимо больших токах, а следовательно, при многократно увеличившейся вероятности возникновения аварийной ситуации , недостаточная надежность блока ПМ за счет налучия электромеханических элементов, (особенно контактов реле); невозможность оценки коммутируемого электроаппаратом (в котором действует блок ПМЗ) тока.

Цель изобретения - повышение надежности в работе устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве, содержащем датчики тока, к выходам которых подключен выпрямитель с переменным резистором на выходе, к выводам которого подключен вход первого анализи- рующего узла, исполнительный элемент, счетный вход которого соединен с выходом узла управления исполнительным элементом, управляющий вход которого соединен с кнопкой Взвод защиты, дополнительно введены второй анализирующий узел, два элемента И, последовательно включенные резистор, ре- зисторный оптрон и конденсатор, генератор прямоугольных импульсов и диод, при этом вход второго анализирующего узла подключен параллельно первому анализирующему узлу, выходы которых подключены к входам первого элемента И, инверсный выход которого соединен с первым входом узла управления

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

исполнительным элементом и с входом Сброс исполнительного элемента, выход которого подключен ко второму входу своего узла управления и через диод в прямом направлении с входом Запуск .генератора прямоугольных импульсов и первым входом второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом резисторного оп- трона, второй вывод резистора и вторая обкладка конденсатора соединены с выходами датчиков тока, инверсный выход второго элемента И является выходом устройства.

-Фиг. 1 -5 поясняют изобретение.

Устройство для токовой защиты электроустановки (кроме чувствительных элементов) выполнено в виде неразборного (залитого компаундом) блока. На фиг.1 приведена функциональная схема устройства. Чувствительные элементы 1, в качестве которых используются трансформаторы тока, замеряющие ток в силовых шинах, например, фаз А и В токоприемника, через двухполупериод- ный выпрямитель 2 подключены к реостату 3 токовой уставки, движок от которого выведен на лицевую панель блока устройства для токовой защиты электроустановки. К зажиму реостата 3 с большим потенциалом и движку подключены параллельно два анализирующих узла , каждый из которых содержит по ограничивающему резистору R1 и R2 соответственно,стабилитрону VD1 и VD2 (причем, на пряжение стабилизации у стабилитронов различно), резисторному оптрону U1 и U2, выходные сопротивления которых включены в цепи делителей напряжения R3 и соответственно. Таким образом, в анализирующих узлах k происходит сравнение падения напряжения на части сопротивления 3, заданной его движком, с напряжением стабилизации соответствующего стабилитрона.

Выходы анализирующих узлов k подключены к двухвходовому логическому элементу И 5 выход которого подключен к входу Сброс R исполнительного элемента 6, выполненного на триггере, и к узлу управления 7 исполнительным элементом 6, содержащему защелку, кнопку взвода защиты, привод которой выведен на лицевую панель блока. На фиг.2 показана функциональная схема узла управления 7. На фиг.1 и 2 привод кнопки взвода защиты показан стрелкой с надписью Взвод.

Узел управления 7 содержит диод VD3, ограничивающий резистор R5, разделительные конденсаторы С1 и СЗ, цепочку взвода С2, Кб, усилители У1, У2 и УЗ, запоминающий элемент Т на основе ферромагнитного кольца с двумя обмотками и кнопку SA1 Взвод с двумя контактными группами SA1.1 и SA1.2. Выход узла управления 7 подключен к счетному входу С триггера 6 а прямой выход триггера 6 непосредственно Подключен к входу узла управления 7.

От чувствительных элементов 1 за- питана также входная цепь резисторно го оптрона 8 через ограничивающий резистор 9 и конденсатор 10, причем емкостное сопротивление конденсатора 10 подобрано таким образом, что оно равно индуктивному сопротивлению последовательно включенных чувствительных элементов 1 в режиме срабатывания устройства; Зависимость индуктивности каждого из чувствительных элементов 1 L от тока I в силовых шинах имеет вид, показанный на с увеличением тока I индуктивность I, падает и при токе отключения 1откц чувствительные элементы 1 имеют суммарное индуктивное сопротивление Х 2йП-откл гДе т-отхл --индуктивность чувствительного элемента 1 в режиме отключения. Тогда конденсатор 10 должен иметь емкостное сопротивление Хс X 2(0 I, Отц( откуда емкость конденсатора 10 составит величину

С

1

2С02ЬОТКЛ

Выходное сопротивление оптрона 8 является задатчиком частоты генератора прямоугольных импульсов 11, схма которого показана на фиг.4. Он представляет собой мультивибратор, выходная частота импульсов которого определяется по формуле

f

1

1,38

С4 - емкость конденсатора

R - сопротивление выходного резистора оптрона 8.

Выходное сопротивление резистора оптрона 8, который выполнен на оптро- не типа ОЭП-1, имеет характеристику зависимости выходного сопротивления от входного тока, показанную на фиг.5. Следовательно, с изменением входного тока оптрона 8 меняется и частота генератора 11 соответствуюп щим, поддающимся точной оценке образом.

Выход генератора 11 подключен к первому входу выходного логического элемента И 12, а второй вход эле5 мента 12 и вход запуска генератора 11 соединены с прямым выходом триггера 6 через диод 13, включенный в прямом направлении. Выход элемента 12 является выходом устройства для токовой

0 защиты электроустановки. Для Функционирования на устройство требуется подать два уровня постоянного напряжения по трем проводам: +ип, -ип и общую точку (на фиг. блок питания уст5 ройства не показан).

Устройство работает следующим образом.

При подаче от блока питания постоянного напряжения выходы анализирую0 щих узлов 4 приобретают высокие уровни (уровни логических 1), а на выходе элемента 5 устанавливается уровень логического О, который поступая на вход R триггера б обеспечива

ет последнему режим переключения. При

подаче уровня +ип на цепочку взвода С2, R6 узла управления 7 возникает импульс положительной полярности, который запускает в работу усилитель

У1. В результате по обмотке 1 запоминающего элемента Т проходит импульс тока, который переводит сердечник в намагниченное состояние с индукцией (+Вд), одновременно наведенная ЭДС на

обмотке 11 элемента Т, усиленная УЗ, производит переключение триггера 6, при котором на прямом его выходе устанавливается уровень логической 1. Этот уровень, преобразованный

конденсатором СЗ узла управления 7 в импульс и усиленный У2, производит перемагничивание сердечника элемента Т в состояние с индукцией (-Р). (Так как у усилителей У1 и У2 различные уровни питания - (+Un) и (-Un) соответственно, то импульсы тока от них проходят через обмотку 1 элемента Т в разных направлениях). При про- хождении импульса в обмотке 1 от У2

наведенная ЗДС в обмотке 11 имеет противоположное направление и не включает усилитель УЗ, а значит, , триггер 6 от этого импульса не переключается.Кроме того, высокий уровень прямого выхода триггера 6 через диод 13, который осуществляет развязку цепей узла управления 7 и блоков 11 и 12, запускает в работу генератор 11 (при низком уровне прямого выхода триггера 6 происходит срыв генерации генератора 11) и открывает для прохождения импульсов генератора 11 выходной элемент И 12 (при низком уровне прямого выхода триггера 6 на выходе элемента 12 устанавливается уровень логической 1м

независимо от того, поступают импульсы от генератора 11 на вход элемента 12 или нет).

На этом подготовительная работа схемы закончена, В запоминающем элементе Т индукция сменилась с (+ВМ) на (-Bw) , что соответствует условной записи и стиранию логической 1 из сердечника. Вырабатываемая генера тором 11 частота f (при максимально выходном сопротивлении оптрона 8, т,к, его входной ток равен нулю - см. фиг. 5) проходит через выходной элемент 12 и разрешает включение электроэнергии потребителю.

При протекании тока по силовым шинам на выходных зажимах чувствительных элементов 1 устанавливается переменное напряжение. После выпрямления элементом 2 оно прикладывается к резистору 3, по которому начинает протекать ток. После установления на резисторе 3 заданной уставки с помощью движка падение напряжения на резисторе 3 сравнивается с напряжением стабилизации стабилитронов VD1 и VD2 анализирующих узлов . Пока напряжение стабилизации больше падения напряжения на резисторе 3 входной ток через оптроны Ш и U2 равен нулю, выходные сопротивления оптро- нов U1 и U2 максимальны, на входы элемента 5 продолжают поступать уровни логической 1 от анализирующих узлов k.

Одновременно переменное напряжение от чувствительных элементов 1 прикладывается к входной цепи оптрона 8, по которой течет переменный ток, Конденсатор 10 предохраняет входную цепь оптрона 8 от подачи на

20

25

30

CQ771958

нее постоянного напряжения (имеется в виду умышленное изменение схемы, когда уровень постоянного напряжения может подаваться на входную цепь оптрона 8 с целью включения электроэнергии при отключенных чувствительных элементах 1): в этом случае входной ток оптрона 8 будет равен нулю. При

10 протекании переменного тока по входной цепи оптрона 8 его выходное сопротивление уменьшается, изменяется выходная частота генератора 11 и соответственно - выходной сигнал эле15 мента 12, что воспринимается как сигнал нормального включения токоприемника. При изменении входного тока - оптрона 8 (т.е. изменении тока в силовых шинах токоприемника) выходной сигнал устройства изменяется в диапазоне fz-f3, это изменение частоты может .быть преобразовано в численное значение тока потребителя (см.фиг.5),

При превышении током потребителя предельно допустимого значения практически могут возникнуть три ситуации:

1)при увеличении тока потребителя увеличивающееся падение напряжения на реостате 3 сначала превышает лишь напряжение стабилизации стабилитрона VD1 (у которого напряжение стабилизации меньше, чем у стабилитрона VD2);

2)если анализирующий узел 4 со стабилитроном VD1 не сработает (при выходе его из строя), при дальнейшем повышении падения напряжения на реостате 3 должен сработать стабилитрон VD2 анализирующего узла ;

3)если оба анализирующих узла k вышли из строя, вступает в действие оптрон 8: при данном токе потребителя суммарное индуктивное сопротивление элементов 1 Х сравнивается с емкостдс ным сопротивлением Хс конденсатора 10, т.е. наступает резонанс напряжений, при котором резко возрастает входной ток оптрона 8. Одновременно скачком меняется и выходная частота

40

устройства до значения f (см. фиг..5) ,

что воспринимается как чения электроэнергии.

сигнал отклюЕсли же частота генератора 11 вообще не поступает от устройства (при умышленном закорачивании его выходных зажимов или обрыве проводов), это также приводит к немедленному отключению электроэнергии.

Рассмотрим работу схемы при первой ситуации. При превышении падения напряжения на реостате 3 напряжения стабилизации стабилитрона VD1 послед-- ний пробивается и по входной цепи оп- трона V1 потечет ток, который приводит к резкому уменьшению выходного сопротивления оптрона V1, При этом на выходе данного анализирующего узла о устанавливается уровень логического О, что приводит к появлению на выходе элемента 5 высокого уровня - триггер 6 сбрасывает свой уровень с прямого выхода (т.е. возвращается 15 в исходное состояние), Высокий выходной уровень элемента 5 через цепочку VD3, R5, С1 приводит к кратковременному включению усилителя У1, который переводит сердечник элемента 20 Т в состояние (+ВМ), т.е. в него записывается логическая 1. Однако наведенная в обмотке 11 элемента Т ЭДС не сможет переключить триггер б, т.к. на входе К триггера 6 существу- 25 ет уровень 1 от элемента 5. Следовательно, усилитель У2 не откроется и сердечник элемента Т остается в состоянии (+ВМ). Низкий уровень на прямом выходе триггера 6 останавлива- 30 ет генератор 11 и закрывает прохождение через элемент 12 импульсов (при условии, что генератор 11 даже продолжит выработку импульсов, его импульсы через элемент 12 не пройдут). Электроэнергия после этого должна отключиться от потребителя.

Для того, чтобы вновь подать электроэнергию потребителю, необходимо

35

нажать на кнопку Взвод на лицевой

панели блока устройства. При этом конденсатор С2 разряжается, но усилитель У1 от этого не открывается. От уровня (+Un) через SA1.2 открывается усилитель У2 и перемагничивает сер- дечник элемента Т, т.е. стирает записанную 1 в сердечнике. После отпускания кнопки Взвод усилитель У2 закрывается, а от импульса цепочки взвода С2, R6 открывается усилитель У1 и производит запись 1 в сердечник. Т.к. напряжения на силовых шинах еще нет, ток через оптроны U1 и U2 не идет и на выходах анализирующих узлов k - логические 1, а на выходе элемента 5 логический О. Поэтому триггер 6 от наведенной Э.Р.С, в обмотке 11 элемента Т переключаетс а усилитель У2 осуществляет

- 5 0 5 0

5

0

с

0

1 из сердечника элемента Т. И далее - генератор 11 начинает вырабатывать частоту ff , При повторном превышении тока в силовых шинах своего максимально допустимого значения работа устройства повторяется по первой ситуации.

Рассмотрим работу схемы при второй ситуации. Если оптрон U1 вышел из строя, при дальнейшем увеличении падения напряжения на резисторе 3 пробивается стабилитрон VD2 анализирующего узла k, по входной цепи оптрона U2 потечет ток, его выходное сопротивление уменьшается, и уже низкий уровень от делителя напряжения R4 переключает выход элемента 5 на высокий логический уровень. А далее работа схемы аналогична первой ситуации.

При третьей ситуации (если оба анализирующих узла Ь вышли из строя) работающий генератор 11 будет вырабатывать частоту f4 (см. фиг,5), которая также отключает электроэнергию.

Таким образом, закоротка выходных зажимов устройства приводит к отключению электроэнергии, т.к. при этом выходная частота устройства будет s равна нулю, а включение электроэнергии потребителю происходит лишь при выработке частоты устройством. Отключение чувствительных элементов 1 приводит к выработке генератором 11 частоты f(, поэтому запуск токоприемника в этом случае может производиться. Однако при включении электроэнергии частота f генератора 11 не меняется, т.к. по-прежнему ток через входную цепь оптрона 8 равен нулю. Неизменность частоты f после включения электроэнергии воспринимается как сигнал отключения электроэнергии.

Проверка устройства заключается в том, что реостат 3 устанавливается в положение максимального падения на нем напряжения. Поэтому даже при нормальном токе в силовых шинах падение напряжения на реостате 3 будет превышать напряжение стабилизации обоих стабилитронов узлов 4, При этом происходит срабатывание устройства по первой ситуации.

Формула изобретения

Устройство для токовой защиты электроустановки, содержащее датчики то111

ка( к выходам которых подключен выпрямитель с переменным резистором на выходе, к выводам которого подключен вход первого анализирующего узла, ис полнительный элемент, сметный вход которого соединен с выходом узла управления исполнительным элементом, управляющий вход которого соединен с кнопкой Взвод защиты, о т л и -С чающееся тем, что, с целью повышения надежности в работе, дополнительно введены второй анализирующий узел, два элемента И, последовательно включенные резистор, рези торный оптрон и конденсатор, генератор прямоугольных импульсов и диод, при этом вход второго анализирующего узла подключен параллельно первому анализирующему узлу, выходы которых

Q

0

9512

подключены к входам первого элемента И, инверсный выход которого соединен с первым входом узла управления исполнительным элементом, и с входом Сброс исполнительного элемента, выход которого подключен к второму входу своего узла управления и через диод в прямом направлении - с входом Яалуск генератора прямоугольных импульсов и первым входом второго элемента И, второй вход которого подключен к выходу генератора прямоугольных импульсов, вход которого соединен с выходом резисторного оптрона, второй вывод резистора и вторая обкладка конденсатора соединены с выходами датчиков тока, инверсный выход второго элемента И является выходом устройства.

Сущность изобретения: дополнительно введенные второй анализирующий узел, настроенный на больший отключающий ток, а также резисторный оптрон, подключенный через конденсатор к чувствительным элементам, вы.- ходная цепь которого является задат- чиком частоты генератора прямоугольных импульсов, способствуют непосредственному замеру коммутируемого электроаппаратом тока, что повышает надежность в работе. 5 ил.

оА $

А &

Фиг. f

ФЦ&2

Фиг.З

°яш. Он

WX

-Г

Н

л

0 2 6 § ю /2 J4 h л

1 а- тн

вх,т

§ ю /2 J4 h

1 а- тн

. 5

вх,т