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

Это вызвано тем, что в тяговых сетях нагрузка возрастает ступенями, 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.

Целью изобретения является 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, амплитудный детектор, при этом вход блока выделения приращения будущего значения тока- соединен с выходом блока выделения буду-, щего значения тока, вход которого объединен со входом блока выделения приращения производной тока, выход которого подключен ко входу амплитудного детектора, выходы блока выделения приращения будущего значения тока и амплитудного детектора соединены с суммиручй

(Л

С.

2

4 О 00

ющими входами компаратора, управляющие входы блоков выделения приращения производной тока и амплитудного детектора соединены с управляющим выходом блока выделения приращения будущего значения тока.

Кроме того, в устройство введен датчик напряжения сети, выход которого подключен к третьему вычитающему входу компаратора. 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, с инверсным входом 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 оле- рационного усилителя является выходом блока.

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

На фиг.1 приведена структурная схема устройства для быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий; на фиг.2 приведена структурная схема блока выделения будущего значения тока; на фиг.З приведена схема примера выполнения блока выделения-будущего значения тока; на фиг.4 приведена схема примера выполнения блока выделения приращения будущего значения тока; на фиг.5 приведена схема примера выполнения блока выделения приращения производной тока; на фиг.7 приведены временные диаграммы, поясняющие работу блока выделения будущего значения тока; на фиг.З приведены временные диаграммы, поясняющие работу блока выделения приращения будущего значения тока; на фиг.9 приведены временные диаграммы, поясняющие работу устройства в целом.

Устройство для быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий содержит датчик 1 тока сети, выход которого подключен ко входу блока 2 выделения будущего значения тока и блока 3 выделения приращения производной тока. Вход блока 4 выделения приращения будущего значения тока соединен с выходом блока 2 выделения будущего значения тока.

0 Выход блока 4 подключен к суммирующему входу компаратора 5. Выход амплитудного детектора 6 подключен ко вновь введенному суммирующему входу компаратора 5. Уп- равляющие входы блока 3 выделения

5 приращения производной тока и амплитудного детектора 6 соединены с управляющим выходом блока выделения приращения будущего значения тока.

Устройство может содержать датчик 7

0 напряжения, выход которого подключен к третьему, вновь введенному суммирующему входу компаратора 5. Вновь введенный суммирующий вход компаратора 5 может быть образован подключением резистора

5 ко входу компаратора, на который подают опорный сигнал, формирующий первоначальную уставку.

Блок 2 выделения будущего значения тока содержит цепь с большой постоянной

0 времени 8, дифференциатор 9, подключенный к выходу последней, сумматор 10, на вход которого подают сигнал с датчика 1 производной тока и с выхода дифференциатора 9, сигнал датчика 1 подают на цепь с

5 большой постоянной времени 8. Цепь 8 может быть реализована на R-L элементах, либо на R-C элементах. Особенностью этой цепи является то, что ее постоянная времени должна быть больше максимальной вел и0 чины постоянной времени тока удаленного к.з., порядка 0,3 с. Пример выполнения этого блока приведен на фиг.З. Цепь 8 с большой постоянной времени реализована путем подключения одной обмотки датчика

5 1 к первичной обмотке транспортера 11, роль сопротивления цепи 8 играют активные сопротивления одной обмотки датчика

1и указанной выше обмотки транспортера. Сумматор 10 образован последовательным

0 включением другой обмотки 1 и вторичной обмотки трансреактора 11. Полярность их включения обеспечивает вычитание одного сигнала из другого.

Для варианта выполнения в указанном

5 примере в качестве датчика 1 используется датчик производной тока. При использовании в качестве датчика 1 датчика тока, блоки

2и 3 содержат входные дифференциаторы. Блок 3 выделения приращения будущего значения тока включает в себя операционный усилитель ОУ 12, запоминающую емкость 13, включенную между инвертирующим входом ОУ 12 и общей точкой устройства, последовательную цепь из резистора 14, первого ключа 15. Указанная последовательная цепь включена между входом блока 3 и инвертирующим входом ОУ 12. Второй ключ 16 может быть включен параллельно сопротивлению выше упомянутой последовательной цепи, либо параллельно самой цепи. Неинвертирующий вход ОУ 12 подключен к входу всего блока. К выходу ОУ подключен вход компаратора 17, к выходу которого подключен первый элемент 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 заданный длительности при срабатывании компаратора 17, второй элемент времени 19 выдает сигнал заданной длительности при пропадании сигнала с первого элемента времени 18.

Блок 3 выделения приращения производной тока включает в себя ОУ 12.1, запоминающий конденсатор 13.1, включенный между инвертирующим входом ОУ 12.1 и общей точкой устройства, последовательной цепи 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 параллельно сопротивлению вышеупомянутой цепи. Неинвертирующий вход ОУ 12.1 подключен к выходу всего блока. Данный блок аналогичен блоку выделения приращения будущего значения тока и отличается от последнего лишь отсутствием компаратора и элемента 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.

Амплитудный детектор включает в себя отделяющий диод 20, запоминающий конденсатор 21, ключ 22, осуществляющий сброс амплитудного детектора в исходное состояние, буферный усилитель 23, ограничительный диод 24. осуществляющий подключение емкости к источнику с регулируемым напряжением + U. Последовательно с отделяющим диодом 20 обычно включают резистор, ограничивающий ток заряда запоминающего конденсатора, не показанный на фиг.б.

Входной сигнал на амплитудный детектор 6 подают через отделяющий диод 20. Сигнал, управляющий временем хранения

входного сигнала, подают на вход ключа 22. Вход ключа подключен к управляющему выходу блока выделения приращения будущего значения тока, а именно к входу ключа 15, 5 управляющего временем предшествующего сигнала. Ключи 15 и 22 одновременно замыкаются и размыкаются.

Работа блока 2 выделения будущего значения тока показана на фиг.7. Кривая 25

0 показывает увеличение тока нагрузки двумя приращениями. Производная тока 26 является выходным сигналом датчика 1. Под воздействием этого сигнала в цепи 8 с большой постоянной времени протекает ток, пред5 ставленный кривой 27. Он затухает с посто- янной времени цепи 8. После дифференцирования указанного сигнала блоком 9 форма выходного напряжения будет соответствовать кривой 28. Этот сигнал

0 содержит в себе две экспоненциальные.со- ставляющие, одна из которых пропорциональна производной тока, другая пропорциональна приращению тока и затухает с постоянной времени цепи 8. В резуль5 тате сигнала 28 из сигнала 26 с помощью сумматора 10, получают сигнал 29, амплитуда которого пропорциональна будущему установившемуся значению тока в первичной обмотке датчика 1, причем амплитуда сигна0 ла 29 появляется в первый момент времени появления приращения тока. Это свойство и дает основание для названия блока 2. Сигнал 29 затухает с указанной выше большой постоянной времени, т.е. практически неиз5 менен за время анализа защитой начала приращения тока.

Работа блока выделения приращения будущего значения тока пояснена диаграммами на фиг.8. Его входной сигнал, кривая

0 30, является выходным сигналом блока выделения будущего значения тока 2. В исходном состоянии, при отсутствии сигнала 30, ключ 15 замкнут, ключ 16 разомкнут. Изменения входного сигнала 30 поступают на

5 инвертирующий вход ОУ 12 с задержкой, вносимой цепью R-C, кривая 31. Благодаря задержке на выходе ОУ при изменении входного сигнала появляется напряжение - кривая 32, соответствующее разности вход0 ного и задержанного 31 сигналов. От этого сигнала срабатывает компаратор 17, выходной сигнал которого представлен кривой 33. От переднего фронта этого сигнала запускается первый элемент времени 18, его сигнал

5 представлен кривой 34, При появлении этого сигнала ключ 15 размыкается. Состояние ключа представлено кривой 37. При размыкании ключа 15 конденсатор 13 запоминает практически величину сигнала перед его из- менением. Поэтому напряжение на выходе

ОУ пропорционально приращению входного сигнала 30. Выдержка времени элемента 18 определяет время выделения приращения сигнала. Величину этого времени выби- рают большей суммы задержек, производимых другими элементами устройства для защиты и времени действия блока отключения выключателя. Кратковременное замыкание ключа 16 обеспечивает быстрое достижение величины на конденсаторе 13 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.

Устройство для защиты работает и в сетях с большим уровнем гармонических составляющих, так как на выходе блока 2 нет гармонических составляющих. На работу блоков измеряющих производную тока гармонические составляющие скажутся незначительно, т.к. производная тока в начале к.з. имеет максиамальное значение и больше этих гармонических составляющих. Для полного устранения их влияния блок 5 выделения приращения производной тока может содержать на входе фильтр с небольшим коэффициентом сглаживания (5-20). Для компенсации задержки, вносимой фильтром, компаратор 5 содержит на своем выходе элемент временной задержки, со временем, порядка 1 мс.

Устройство в целом работает так, Ток защищаемого фидера г кривая 38, датчиком 1 преобразуется в производную тока, кри- . вая 39. Сигнал на выходе блока 2 выделения приращения будущего значения тока представлен кривой 40. Этот сигнал поступает на блок 4 выделения приращения будущего значения тока, представлен кривой 41. Последний поступает на первый вход компаратора 5. Одновременно с этим блок выделяет приращение производной тока - кривая 42, то есть увеличение производной тока по отношению к ее уровню, имевшемуся перед началом приращения. Так как производная тока уменьшается сравнительно быстро, выходной сигнал блока 3 уменьшается много быстрее выходного сигнала блока 4. Это требует запоминания максимума этого сигнала амплитудным детектором 6. Сигнал с последнего подают на второй, вновь введенный суммирующий вход компаратора 5. При этом осуществляют вычитание из сигнала приращения тока - кривая 41, сигнал приращения производной тока - кривая 42, другими словами, с увеличением амплитуды приращения производной тока уставку компаратора увеличивают- кривая 44. Благодаря этому производится отстройка от приращений тока нагрузки в тех случаях, когда величина приращения тока нагрузки в тех случаях, когда величина приращения тока

нагрузки соизмерима с приращением тока удаленного к.з., например, приращение тока нагрузки при проезде воздушного промежутка электровозом, или же при подъеме пантографа, вскоре после его случайного от0 рыва от контактной сети. В этих случаях приращение производной тока больше, чем приращение производной тока в режиме удаленного к.з. Ограничение в величине запоминаемой амплитуды приращения произ5 водной тока позволяет не увеличивать уставку компаратора для удаленных к.з. В этих случаях величина приращения тока всегда больше любого тока нагрузки и учет производной тока не нужен.

0 Величина ограничения запоминающей производной тока выбирается так. Выбирают приращение тока к.з., большее с запасом максимального приращения тока нагрузки. Для этого случая определяют приращение

5 производной тока и ее берут в качестве ограничения.°

Для фиксации зоны действия устройства, и некоторого повышения чувствительности, используют выходной сигнал датчика

0 напряжения 7, сигнал которого подают на третий, вновь введенный суммирующий вход компаратора 5. Сигнал, пропорциональный напряжению, вычитают из сигнала, поступающего на первый вход компаратора

5 с выхода блока выделения приращения будущего значения тока.

Время работы блоков 3 и 6 синхронизируется с помощью блока 4.

Таким образом, устройство позволяет

0 определить в первый момент появления приращения тока причину появления этого приращения: режим к.з. или режим нагрузки, обладая при этом высокой чувствительностью. Высокая чувствительность

5 объясняется высокой степенью отстройки от рабочих режимов, благодаря чему и понижена уставка по приращению тока. Отстройка от рабочих режимов достигнута за счет выделения величин приращений токов и

0 производной тока каждого, отдельно взятого изменения тока. Высокое быстродействие также позволяет повысить чувствительность, вследствие отсутствия искажения кривой нарастания тока при ко5 ротком замыкании, появляющееся при переходе подвижного состава в генераторный режим. В этом случае устройство срабатывает раньше, чем наступает существенное искажение тока. Это относится и к случаям замыкания через дугу, т.к. возникновению

дуги предшествует кратковременный период глухого к.з.

Применение устройства повышает ресурс и отключающую способность быстродействующего выключателя, т.к. он отключает меньшее значение тока.

Применение устройства позволяет повысить надежность системы электроснабжения.

Ф о р м у л а и з о б р е те н и я

1. Устройство для быстродействующей защиты сети постоянного тока от коротких замыканий, содержащее датчик тока сети, вы,ход которого подключен к входу блока выделения будущего значения тока, и ком- паратор, отличающееся тем, что, с целью повышения чувствительности и лучшей отстройки от токов нагрузки, дополни- тельно введены блок выделения приращения будущего значения тока, блок выделения приращения производной тока, амплитудный детектор, при этом вход блока выделения приращения будущего значения тока соединен с выходом блока выделения будущего значения тока, вход которого объ- единен с входом блока выделения приращения производной тока, выход которого подключен к входу амплитудного детектора, выходы блока выделения прираидения будущего значения тока и амплитудного детек- тора соединены с суммирующими входами компаратора, управляющие входы блоков выделения приращения производной тока и

амплитудного детектора соединены с управляющим выходам блока выделения приращения будущего значения тока.

2.Устройство поп.1,отличающее- с я тем, что дополнительно введен датчик напряжения сети, выход которого подключен к третьему вычитающему входу компаратора.

3.Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е- 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 поп.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: дополнительно введенные блоки, а именно блок выделения приращения будущего значения тока, блок выделения производной тока, амплитудный детектор позволяют повысить чувствительность устройства. 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Фиг. I

,L

Фиг. 2

II

ЈД

Фиг. 3

12 Л

Фиг. 5

Фиг. 4

J23

22

LJФиг. 6

Фиг.

# П

П

ЗГ

34 |1

36 П

П

Фиг. 8

39

44

41

42

h