Реле направления мощности и пусковое Советский патент 1993 года по МПК H02H3/38 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для релейной защиты линий электропередачи.

Известно реле направления мощности, содержащее два входных преобразователя переменных величин, из которых один ток - напряжение, а другой напряжение - напряжение, формирователь одной из4 сравниваемых переменных величин с одним операционным усилителем, два формирователя прямоугольных импульсов, блок сравнения по совпадению прямоугольных импульсов, интегрирующий элемент, выходной компаратор с одним операционным усилителем.

Недостаток такого устройства состоит в том;-что оно не предусматривает одновременного выполнения функций двух однофазных реле.;

Известно трехфазное реле тока (напряжения), принятое за прототип, содержащее два входных преобразователя ток - напряжение и напряжение - напряжение, подключенные выходами ко входам максиселектора, имеющего основной инвертирующий и два дополнительных неинвертирующих вывода, первый и второй выходные компараторы, первый второй и третий резисторы, одни выводы которых соединены, и четвертый резистор.

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно не предусматривает примене- ния как однофазного реле направления мощности.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей путем одновременного выполнения функций двух однофазных реле.

Сущность изобретения и его признаки, отличительные от устройства-прототипа, состоят в том, что дополнительно введены первый и второй формирователи прямоугольных импульсов, первый и второй интегрирующие элементы и конденсатор, а входные преобразователи выполнены в виде преобразователей переменного тока и напряжения в переменное напряжение, при этом основной инвертирующий выход и два дополнительных неинвертирующих выхода максиселектора подключены к другим выводам первого, второго и третьего резистора соответственно, общая точка которых подключена ко входу первого формирователя прямоугольных импульсов, подключенного выходом через первый интегрирующий элемент ко входу первого выходного компаратора направления мощности, выход входного преобразователя ток - напряжение подключен через конденсатор ко входу второго формирователя прямоугольных импульсов, выход которого подключен через второй интегрирующий элемент ко входу второго выходного пускового компаратора, а основной инвертирующий выход максиселектора подключен через четвертый резистор ко входу второго формирователя прямоугольных импульсов, при этом вывод четвертого резистора может быть подсоединен к Основному инвертирующему выходу

максиселектора в комплекте другой фазы.

На фиг. 1 приведена функционально- принципиальная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - временные графики напряжений на входах и на выходах максиселектора, а также на входе первого формирователя прямоугольных импульсов, когда напряжения на входах максиселектора сдвинуты по фазе на 90°.

Реле направления мощности пусковое

содержит два входных преобразователя 1 и 2, выполненные в виде преобразователей переменного тока и напряжения в переменное напряжение. Входные преобразователи подключены выходами 3 и 4 к входам максиселектора 5, имеющего основной инвертирующий 6 и два дополнительных 7 и 8 неинвертирующих выхода. Содержатся еще. как и в прототипе 2, первый 9 и второй 10 выходные компараторы, первый 11, второй 12 и третий 13 резисторы/одни выводы которых объединены, а также четвертый резистор 14. Дополнительно введены первый 15 и второй 16 формирователи прямоугольных импульсов, первый 17 и второй 18 интегрирующие элементы и конденсатор 19. При этом основной инвертирующий выход 6 и два (7 и 8) дополнительных неинвертирующих выхода максиселектора 5 подключены к другим выводам первого 11, второго 12 и

третьего 13 резисторов соответственно, общая точка которых подключена ко входу первого формирователя 15 прямоугольных импульсов. Формирователь 15 подключен выходом через первый интегрирующий элемент 17 ко входу первого выходного компаратора 9 направления мощности. Выход 3 входного преобразователя 1 ток - напряжение подключен через конденсатор 19 ко входу второго формирователя 16 прямоугольных импульсов, выход которого подключен через второй интегрирующий элемент 18 ко входу выходного пускового компаратора 10. Основной инвертирующий выход 6 максиселектора 5 подключен через

четвертый резистор 14 ко. входу второго формирователя 16 прямоугольных импульсов. При этом вывод четвертого резистора 14 может быть подсоединен к инвертирующему выходу 6 максиселектора 5 в комплекте другой фазы. Внутри максиселектора 5

первый 3 и второй 4 входные выводы подсоединены через резисторы 20 и 21 к инвертирующим входам, соответственно, первого 22 и второго 23 операционных усилителей; неинвертирующие входы этих усилителей предназначены для подключения к общему токопроводу. В максиселекторе 5 инвертирующий вход каждого усилителя соединен с выходом этого же усилителя через первую цепочку обратной связи, выполненную на последовательно соединенных резистора 24 (или 25) и аноде-катоде диода 26 (или 27), а также вторую цепочку обратной связи, включенную встречно-параллельно первой и выполненную на последовательно соединенных другом резисторе 28 (или 29) и катоде-аноде другого диода 30 (или 31). Катоды диодов 26(или 27)первых цепочек обратной связи и аноды диодов 30 (или 31) вторых цепочек обратной связи непосредственно соединены с выходом соответствующего операционного усилителя. Кроме того,аноды диодов 26 и 27 первых цепочек обратной связи каждого усилителя соединены с основным выходным выводом 6 максиселекто- ра 5, а катоды диодов 30 и 31 вторых цепочек обратной связи первого и 22 второго 23 операционных усилителей соединены, соответственно, с первым 7 и вторым 8 упомянутыми дополнительными выходными выводами максиселектора 5. К основному выходному выводу 6 подсоединен балластный резистор 32, а-к дополнительным выходным выводам 7 и 8 подключены соответственно балластные резисторы 33 и 34. Балластные резисторы уменьшают влияние последующих цепей на цепи обратной связи операционных усилителей в максиселекторе 5. Резистор 35 облегчает достижение того, чтобы ток Иэ через конденсатор 19, например, на 60° опережал ток з, подходящий от преобразователя 1 к его выходному выводу 3, а ток i20 через резистор 20 на 30° отставал от хода 1з, причем амплитуды токов удовлетворяли неравенству Ii9m l20m. Резистор 36 определяет срабатывание предложенного устройства как пускового реле.

Предлагаемое реле работает следующим образом.

Сначала рассматривается выполнение устройством функции реле направления мощности. Для упрощения анализа предполагаем, что на фиг. 1 резисторы 20-21, 24- 25,28-29 имеют одинаковое сопротивление R. Предполагается, что на выходе 3 входного преобразователя 1 имеется напряжение Уз, а на выходе 4 преобразователя 2 - напряжение НА (рассматриваются мгновенные значения напряжений).

Известно, что сумма внешних токов на инвертирующем входе операционного усилителя практически равна нулю, В условиях максиселектора 5 эти внешние токи на входе усилителей 22-23 могут поступать от своего входного преобразователя и через резисторы двух своих цепочек обратной связи.

На фиг. 2 даны временные диаграммы (в

зависимости от угла а) t), когда одинаковые по амплитуде напряжения Us и на выходах преобразователей 1 и 2 сдвинуты по фазе на 90°, причем напряжение IJ4 отстает по фазе (фиг. 2,а); на диаграмме с индексом

б - аналогичное на основном выходном выводе 6 максиселектора 5; на диаграммах с индексом в или г - аналогичное, соответственно на дополнительных выходных выводах 7 или 8; на диаграмме с индексом

д - суммарный ток на инвертирующем входе операционного усилителя в первом 15 формирователе прямоугольных импульсов. В первый полупериод на выходе 3 входного преобразователя 1 переменное напряжение 11з положительное и превышает отстающее по фазе переменное напряжение IJ4 на выходе 4 входного преобразователя 2 (фиг. 2,а). На инвертирующем основном выходе 6 максиселектора 5 возникает напряжение 11б(фиг. 2,6), которое из-за инвертирования противоположно по знаку напряжению Уз. При этом на инвертирующем входе операционного усилителя 22 входящий ток 120, созданный напряжением Уз

через резистор 20, и ток 124, вызванный отрицательным потенциалом на выходе усилителя 22 через резистор 24, в сумме практически равны нулю. В то же время напряжение U на дополнительном выходе

7 максиселектора 5 (фиг. 2,в) равно нулю, потому что на выходе усилителя 22 имеется отрицательное напряжение, из-за чего закрыт диод 30 и практически равно нулю падение напряжения на резисторе 28. В это же

время на инвертирующий вход операционного усилителя 23 поступают следующие входные напряжения;

1)от выхода 4 преобразователя 2 нэпря- жение U4. которое в первую четверть периода отрицательно и создает на входе усилителя 23 выходящий ток, а в следующую получетверть периода напряжение U4 положительно и вызывает ток, поступающий в инвертирующий вход усилителя 23;

2) от инвертирующего выхода 6 макси- селектора 5 отрицательное напряжение Us, вызывающее ток из инвертирующего входа усилителя 23 и создающее на выходе этого усилителя положительный потенциал.

При этом на выходе усилителя 23 всегда преобладает положительный потенциал, вследствие чего диод 31 открыт, пропуская ток через резистор 29, а на дополнительном выходе 8 мэксиселектора 5 создается поло- жительное напряжение Us (фиг. 2,г).

От выходов 6-8 максиселектора 5 соответственно через резисторы 11-13, имеющие одинаковые сопротивления, от напряжений UG (отрицательное), U (нуле- вое), U0 (положительное) поступают токи на вход первого 15 формирователя прямоугольных импульсов, причем формирователь 15 реагирует только на отрицательную часть суммарного входного импульса.

В остальную часть первого полупериода и в первую четверть во втором полупериоде переменное напряжение 1М положительно и превышает переменное напряжение Уз. Физические процессы происходят знало- гич но предыдущему, но меняются роли напряжений LM и Из. .

В остальную часть второго полупериода и напряжение УЗ, И напряжение 1М отрицательны, Они, соответственно, на выходах операционных усилителей 22 и 23 создают положительные потенциалы (инвертирование). Поэтому максиселектор 5 в это время не работает как максиселектор, вследствие чего напряжение Ue на основном выходе 6 равно нулю (фиг. 2,6). В это время максиселектор 5 работает как выпрямитель, создавая положительные напряжения на дополнительных выходах 7(фиг. 2,в) и 8(фиг, 2,г). В это время на входе первого формиро- вателя 15 прямоугольных импульсов не может быть отрицательного потенциала, т.е. не может быть на его выходе прямоугольного импульса.

Аналогичный анализ показал, что мак- сиселектор 5 работает правильно, т.е. с учетом потребностей реле направления мощности, также в других характерных условиях::

1) когда переменное напряжение появ- ляется на выходе одного из двух преобразователей 1 и 2, нет отрицательных импульсов на входе формирователя 15 прямоугольных импульсов;

2) если переменные напряжения на вы- ходах каждого из преобразователей 1 и 2 совпадают по фазе, то отрицательный импульс на входе формирователя 15 появляется в течение того полупериода, когда полуволны напряжений Уз и U4 положитель- ны;

3) если переменные напряжения на выходах каждого из преобразователей 1 и 2 сдвинуты по фазе на 180°, то отрицательных импульсов на входе формирователя 15 нет.

поскольку всегда преобладают положительные импульсы.

Таким образом, при характерных режимах максиселектор 5 через резисторы 11-13 подает на вход формирователя 15 отрицательные импульсы, ширина которых равна углу совпадения по фазе положительных полуволн сравниваемых напряжений, а формирователь 15 преобразует эти импульсы в прямоугольные, положительные, имеющие практически такую же ширину. Первый 17 интегрирующий элемент производит замер ширины прямоугольного импульса и, например, если ширина импульса равна 90° и более, то срабатывает выходной 9 компаратор направления мощности.

Необходимо учитывать, что в максисе- лекторе.5 сравнение электрических величин происходит очень точно, потому, что падения напряжения на диодах 26-27 или 30-31, когда они открыты, не входят в состав напряжений на выходных выводах 6-8.

Меры по исключению самохода в предложенном устройстве выполняются аналогично известным 1}. Меры для уменьшения влияния апериодической составляющей во входном токе (преобразователь 1) могут быть аналогичны известным (): или замедление действия реле на время переходного процесса, или использование активного частотного пропускающего фильтра на 50 Гц (по 1), который достаточно установить только нэ пути входного тока в преобразователе 1 (на фиг. 1 не показано).

Рассматривается работа предложенного устройства при выполнении им функции пускового реле, т.к. работа элементов 19,14, 16,18 и 10 совместно с максиселектором 5, на входе которого преобразователи 1 и 2, Рассмотрим, например, выполнение, когда три комплекта предложенного устройства подсоединены по 90°-ной схеме (см., здесь табл. 1)

В первом комплекте ток тд через конденсатор 19 выбран, например, опережающим на 60° ток IA фазы А, а ток i20A через резистор 20, например, сделан отстающим на 30°-от того же тока в фазе А, причем амплитуда токов выбрана с удовлетворением неравенства Нэд 20д.

В каждом комплекте соединены последовательно контакт своего выходного компаратора 9 направления мощности и контакт своего выходного пускового компаратора 10.

Предполагается, что произошло трехфазное короткое замыкание (КЗ), при котором фазные токи отстают от фазных напряжений на угол 60°. В этих условиях в первом комплекте на вход формирователя

16 прямоугольных импульсов через конденсатор 19 поступает ток Идд, который на 60° опережает ток |д и на 30° отстает от напряжения KHU, где Кн - коэффициент передачи от трансформатора напряжения до выходного вывода 4 преобразователя 2. В этом же первом комплекте на вход формирователя 16 через резистор 14 из третьего комплекта от основного выходного вывода 6 максисе- лектора 5 поступают всегда отрицательные (тормозящие) полуволны тока, пропорциональные напряжению UeAB, которое в свою очередь может быть пропорционально большему из двух: или напряжению i2dcR, отстающему на 30° от тока ic и совпадающему по фазе с напряжением Книдв, или самому напряжению Книдв. -Следовательно, при трехфазном КЗ у первого комплекта имеем такие условия срабатывания формирователя 16 прямоугольных однополярных импульсов:

{ii9A + (-iaocR или -KHUAB) О, где Ri4 - сопротивление резистора 14:

збп - постоянный ток в резисторе 36, определяющий установку срабатывания.

Когда, например, на четверть периода появится неравенство:

KHUAB I20CR,

то выходной компаратор 10 в первом комплекте сработает как реле сопротивления; например, место КЗ в защищаемом.направлении на среднем удалении от места установки защиты.

Если же неравенство также длительно имеет обратный знак, то упомянутый компаратор 1.0 в первом комплекте сработает как реле разности токов:

{li9A + -i20cR/Ri4 }- 36n S:0; например, место КЗ в незащищаемом направлении, а в защищаемой линии токи

идут к месту установки защиты и выходной компаратор 9, исполняя функцию реле направления мощности не сработает, заблокировав при этом срабатывание

компаратора 10. При трехфазном КЗ аналогичные условия срабатывания у второго и третьего комплекта.

У предложенного устройства на границе срабатывания при выполнении функции пускового реле разности токов (в условиях, например, трехфазного КЗ) появляются следующие соотношения:

15

W+p) + H20C(+p)R/Ri4j 1збп 119А(+р)(1-К);

к KTR/RU; кт i2ocCp)/ii9A(+p),

где верхний индекс (+р) обозначает: токи на границе срабатывания. Отношение Кт целе0 сообразно выбрать равным, например, 0,5. Тогда имеем следующую расчетную табл. 2 для предложенного устройства при выполнении функции пускового реле сопротивления.

5 В табл. 2 дано мгновенное значение измеряемого сопротивления Zi6A на входе блока 16

Zl6A KHUAB/i 9A(+)

где ii9A положительная полуволна тока через конденсатор 19, когда периодически работает заданное время формирователь 16 прямоугольных однополярных импуль5 СОВ 4 Предлагаемое устройство обеспечивает

расширение функциональных возможностей путем одновременного выполнения функций двух однофазных реле: реле направления мощности и пускового.

Использование: для релейной, защиты линий электропередач. Сущность изобретения: за счет выполнения максиселекторного блока на двух операционных усилителях 22, 23 с основным инвертирующим выходом и двумя дополнительными неинвёртйрующи- ми резонансйымй вывбдаМи. формируют разность между полуволнами максимального из переменных напряжений. За счет использования двух дополнительных компараторов 16 и 17 - направления мощности и пускового обеспечиваются расширение функциональ ных возможностей реле. 2 табл., 2 ил.

Формула изобретения Реле направления мощности и пусковое, содержащее два входных преобразователя ток-напряжение и напряжение-напряжение, подключенные выходами к входам максиселектора, имеющего основной инвертирующий и два дополнительных неинвертирующих выхода, первый и второй выходные компараторы, первый, второй и третий резисторы, одни выводы которых объединены, и четвертый резистор, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем одновременного выполнения функций двух однофазных реле, дополнительно введены первый и второй формирователи прямоугольных импульсов, первый и второй интегрирующие элементы и конденсатор, а входные преобразователи выполнены в виде преобразователей переменного тока и напряжения в переменное напряжение, при этом основной инвертирующий выход и два дополнительных неинвертирующих выхода максиселектора подключены к другим выводам первого, второго и третьего резисторов соответственно; общая точка которых подключена к входу первого формирователя прямоугольных импульсов, подключенного выходом через первый интегрирующий элемент ко входу первого выходного компаратора направления мощности, выход вход- ного преобразователя ток-напряжение подключен через конденсатор к входу второго

формирователя прямоугольных импульсов, выход которого подключен через второй интегрирующий элемент к входу второго выходного пускового компаратора, а основной инвертирующий выход максиселектора подключен через четвертый резистор к входу второго формирователя прямоугольных импульсов.

Таблица 1

Таблица 2