УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ КОНДЕНСАТОРНОЙ БАТАРЕИ, СОБРАННОЙ ПО СХЕМЕ МОСТА ИЗ ЧЕТЫРЕХ ПЛЕЧ, СОСТОЯЩИХ ИЗ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫХ КОНДЕНСАТОРОВ С ИНДИВИДУАЛЬНЫМИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯМИ Советский патент 1995 года по МПК H02H7/16 H02H7/22 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к релейной защите и сигнализации, и может быть использовано для защиты силовых конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности нагрузок, а также конденсаторных батарей фильтров высших гармоник преобразовательных подстанций электропередачи постоянного тока, приводов крупных прокатных станов, дуговых сталеплавильных печей, статических компенсаторов и т.д.

Известно устройство для защиты конденсаторной батареи, собранной по схеме моста из четырех плеч параллельно-последовательно включенных конденсаторов внутри плеча с индивидуальными предохранителями конденсаторов и диагональю моста, содержащее электромагнит, включенный в диагональ моста, якорь которого механически соединен со светонепроницаемыми шторками светового канала, дешифратора и индикатора.

Недостатком такого устройства является необходимость в подборе конденсаторов для обеспечения начального баланса тока в диагонали моста, что не всегда можно реализовать. Наличие начального тока небаланса в диагонали моста снижает чувствительность устройства и увеличивает погрешность измерения.

Наиболее близким к предлагаемому по поставленной цели и достигаемому результату является устройство для защиты конденсаторной батареи, собранной по схеме моста из четырех плеч, состоящих из параллельно-последовательно включенных конденсаторов с индивидуальными предохранителями, содержащее трансформатор тока, предназначенный для включения в диагональ моста, вторичная обмотка которого подключена к согласующему элементу, двухступенчатый компаратор положительной полярности с независимой и регулируемой выдержкой времени, выход которого подключен ко входу исполнительного элемента и выпрямитель.

Недостатком этого устройства также является необходимость подбора единичных конденсаторов для исключения протеканий тока небаланса в диагонали моста при исправных конденсаторах, что не всегда можно реализовать. Начальный ток небаланса снижает чувствительность устройства. Установка компаратора должна превышать величину тока небаланса. В зависимости от плеча моста, где произошло повреждение конденсатора, ток разбаланса от изменения реактивного сопротивления плеча может сложиться с начальным током небаланса и в данном случае снижения чувствительности не произойдет. В случае, если ток разбаланса протекает встречно по отношению к начальному току небаланса, то результирующий ток в диагонали моста снижается и только после его полной компенсации ток начинает возрастать и достигает первоначальной величины тока небаланса при двукратном значении величины полезного тока разбаланса. Таким образом, происходит снижение чувствительности устройства в два раза, т.е. устройство имеет несимметрию, что в итоге снижает достоверность результата, полученного устройством, и надежность работы конденсаторной батареи.

Целью изобретения является повышение надежности и чувствительности путем исключения несимметрии, вызванной начальным током небаланса в цепи диагонали моста конденсаторной батареи.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для защиты конденсаторной батареи, собранной по схеме моста из четырех плеч, состоящих из параллельно-последовательно включенных конденсаторов с индивидуальными предохранителями, содержащее трансформатор тока, предназначенный для включения в диагональ моста, вторичная обмотка которого подключена к согласующему элементу, двухступенчатый компаратор положительной полярности с независимой и регулируемой выдержкой времени, выход которого подключен к входу исполнительного элемента, выпрямитель, отличающееся тем, что выпрямитель выполнен фазочувствительным реверсивным с сигнальным входом и коммутирующим входом тока опорной фазы, дополнительно введены трансформатор тока конденсаторной батареи, дополнительный согласующий элемент, двухвходовый аналоговый сумматор, дополнительный двухступенчатый компаратор отрицательной полярности с независимой и регулируемой выдержкой времени, блок регулируемого реверсивного смещения, вход блокировки которого соединен с вновь введенным блоком контактов положения выключателя, исполнительный элемент выполнен с дополнительным входом, при этом фазочувствительный реверсивный выпрямитель сигнальным входом подключен к выходу согласующего элемента, его коммутирующий вход тока опорной фазы подключен к выходу дополнительного согласующего элемента, вход которого подключен к вторичной обмотке дополнительного трансформатора тока конденсаторной батареи, выход фазочувствительного реверсивного выпрямителя подключен к первому входу аналогового сумматора, к второму входу которого подключен выход блока регулируемого реверсивного смещения, выход аналогового сумматора подключен к входам компараторов положительной и отрицательной полярности, а выход компаратора отрицательной полярности подключен к дополнительному входу исполнительного элемента.

На фиг. 1 приведена схема устройства для защиты конденсаторной батареи; на фиг.2 принципиальная схема фазочувствительного реверсивного выпрямителя; на фиг.3-8 временные диаграммы работы устройства; на фиг.9-11 график зависимости выходного напряжения блока 10 от числа вышедших конденсаторов, где: 1 конденсаторная батарея, 2 плечо моста, 3 единичный конденсатор, 4 индивидуальный предохранитель единичного конденсатора, 5 трансформатор для диагонали моста 6, 7 согласующий элемент, 8 двухступенчатый компаратор положительной полярности с независимой и регулируемой выдержкой времени, 9 исполнительный элемент, 10 фазочувствительный реверсивный выпрямитель с сигнальным входом 11 и коммутирующим входом 12 опорной фазы, 13 трансформатор тока конденсаторной батареи 1, 14 дополнительный согласующий элемент, 15 двухвходовый аналоговый сумматор, 16 дополнительный двухступенчатый компаратор отрицательной полярности, 17 блок регулируемого реверсивного смещения с входом блокировки 18, 19 блок-контакт положения выключателя 20, 21 начальный ток небаланса в диагонали моста 6 до повреждения конденсаторов, 22 сигнал тока опорной фазы 13 на входе 12 блока 10, 23 напряжение на выходе фазочувствительного реверсивного выпрямителя 10, 24 напряжение на выходе двухвходового аналогового сумматора 15 без тока разбаланса, 25 напряжение смещения на выходе блока 17, 26 ток разбаланса в диагонали моста 6 при выходе из строя конденсаторов, 27 суммарное значение напряжения на выходе блока 10, 28 суммарное значение напряжения на выходе блока 15 при наличии тока разбаланса, 29 выходное напряжение блока 10 при наличии начального тока в диагонали 6 моста, 30 уставка компаратора 8 положительной полярности, 31 уставка компаратора 16 отрицательной полярности, 32 зависимость изменения выходного напряжения блока 10 при повреждении конденсаторов для случая совпадения по фазе тока начального небаланса и тока разбаланса, 33 зависимость изменения выходного напряжения блока 10 при повреждении конденсаторов для случая, когда ток начального небаланса в противофазе с током разбаланса, 34 точка, соответствующая равенству противоположных значений токов начального небаланса и разбаланса при повреждении конденсаторов, для случая совпадения по фазе тока опорной фазы и тока начального разбаланса, 35 точка, соответствующая равенству противоположных значений тока начального небаланса и тока разбаланса при повреждении конденсаторов, для случая противофазности тока опорной фазы и тока начального разбаланса.

n число поврежденных конденсаторов.

Предлагаемое устройство для защиты конденсаторной батареи 1, собранной по схеме моста из четырех плеч 2, состоящих из параллельно-последовательно включенных конденсаторов 3 с индивидуальными предохранителями 4, содержащее трансформатор тока 5, предназначенный для включения в диагональ моста 6, вторичная обмотка которого подключена к согласующему элементу 7, двухступенчатый компенсатор 8 положительной полярности с независимой и регулируемой выдержкой времени, выход которого подключен к входу исполнительного элемента 9, реверсивный выпрямитель 10 с сигнальным входом 11 и коммутирующим входом 12 тока опорной фазы, дополнительный трансформатор тока 13 конденсаторной батареи 1, дополнительный согласующий элемент 14, двухвходовый аналоговый сумматор 15, дополнительный двухступенчатый компаратор 16 отрицательной полярности с независимой и регулируемой выдержкой времени, блок регулируемого реверсивного смещения 17, вход блокировки 18 которого соединен с вновь введенным блоком контактов 19 положения выключателя 20, исполнительный элемент 9 выполнен с дополнительным входом, при этом фазочувствительный реверсивный выпрямитель 10 с сигнальным входом 11 подключен к выходу согласующего элемента 7, его коммутирующий вход 12 тока опорной фазы подключен к выходу дополнительного согласующего элемента 14, вход которого подключен к вторичной обмотке дополнительного трансформатора тока 13 конденсаторной батареи 1, выход фазочувствительного реверсивного выпрямителя 10 подключен к первому входу аналогового сумматора 15, к второму входу которого подключен выход блока 17 регулируемого реверсивного смещения, выход аналогового сумматора 15 подключен к входам компараторов положительной 8 и отрицательной 16 полярности, а выход компаратора 16 отрицательной полярности подключен к дополнительному входу исполнительного элемента 9.

Устройство работает следующим образом. Конденсаторная батарея 1 укомплектована конденсаторами 3 без подбора. При включении батареи 1 в ее диагонали возможно протекание тока 21 начального небаланса фиг.3 в несколько раз превышающего по величине ток, который создается вышедшим из строя конденсатором с последующим перегоранием предохранителя. Ток небаланса 21 создает соответствующее ему напряжение небаланса 23 на выходе фазочувствительного реверсивного выпрямителя 10. Контролируя величину небаланса напряжения на выходе аналогового сумматора 15, одновременно с помощью регулирования величины и знака напряжения смещения 25 блока 17 устанавливается нулевое значение 24 выходного напряжения сумматора 15.

Рассмотрим случай, когда фаза тока начального небаланса 21 в диагонали совпадает по фазе 22 тока конденсаторной батареи 1, протекающим через трансформатор 13 тока фиг. 3. При данной фазировке токов на выходе фазочувствительного выпрямителя 10 будет напряжение положительной полярности 23, которое в сумматоре 15 скомпенсировано напряжением 25 отрицательной полярности блока 17 при наладке устройства защиты. В результате на выходе аналогового сумматора 17 получим напряжение 24 фиг.3, среднее значение которого равно нулю.

При повреждении единичного конденсатора конденсаторной батареи в диагонали ее будет протекать ток 26 разбаланса, вызванным этим процессом. В зависимости от расположения плеча батареи относительно диагонали, в котором повредился конденсатор, ток разбаланса 26 может совпадать по фазе или быть в противофазе с током начального небаланса 21, и током 22 опорной фазы конденсаторной батареи.

Рассмотрим случай, когда повреждение конденсатора вызывает ток разбаланса 26, в диагонали совпадающий по фазе с начальным током небаланса 21. Суммарный ток в диагонали батареи увеличивается и пропорционально суммарному значению тока увеличивается напряжение положительной полярности 27, на выходе выпрямителя 10, которое в свою очередь приведет к отклонению напряжения положительной полярности 28 до нулевого значения на выходе сумматора 15. При достижении напряжения уровня уставки срабатывает компаратор 8 положительной полярности, выходной сигнал которого поступает на первый вход исполнительного элемента 9. В указанном случае отсутствует влияние начального тока небаланса и происходит совпадение с прототипом.

Рассмотрим случай фиг.4, когда повреждение конденсатора вызывает ток разбаланса 26, противоположный по фазе по отношению к начальному току 21 небаланса, но меньший по амплитуде, суммарный ток в диагонали батареи уменьшается, но он еще совпадает по фазе с током конденсаторной батареи 1. На выходе выпрямителя 10 сохраняется положительная полярность напряжения 24, но величина его уменьшается пропорционально уменьшению величины суммарного тока диагонали. При суммировании напряжения положительной полярности 24, фиг.4, но уменьшенной величины на выходе выпрямителя 10 с напряжением 25 отрицательного знака блока 17 в сумматоре 15, получим на его выходе напряжение 28 отрицательной полярности, так как величина напряжения 25 отрицательного смещения от блока 17 компенсировало большую величину напряжения положительной полярности на выходе выпрямителя 10. Данное отклонение фиксирует компаратор 16 отрицательной полярности, с выхода которого поступает сигнал на дополнительный вход исполнительного элемента 9. Дальнейший выход конденсаторов в плечах моста, который вызывает протекание тока 26 в диагонали в противофазе по отношению к начальному току небаланса 21, будет уменьшать ток вплоть до нулевого значения. Пропорционально уменьшению тока в диагонали будет уменьшаться и напряжение 24 положительной полярности на выходе выпрямителя 10, что будет приводить к возрастанию величины напряжения 28 отрицательного знака на выходе блока 15. После превышения током разбаланса 26, фиг.5, вызванного повреждением конденсаторов величины начального тока 21 небаланса, произойдет изменение фазы тока в диагонали на 180^о эл. по отношению к первоначальному току небаланса диагонали и по отношению к току конденсаторной батареи 1, протекающего через трансформатор тока 13, т.е. к току 22 опорной фазы. Начиная с момента смены фазы тока в диагонали, меняется знак выпрямленного напряжения на выходе фазочувствительного выпрямителя 10, кривая 24, фиг. 5, и при дальнейшем увеличении тока 26 разбаланса по абсолютной величине, протекающего в противофазе будет пропорционально этому изменению увеличиваться напряжение 24 отрицательной полярности на выходе блока 10 и соответственно суммарное значение напряжения 28 отрицательной полярности на выходе блока 15.

Рассмотрим случай, фиг.6, когда фаза тока начального небаланса 21 в диагонали находится в противофазе с током конденсаторной батареи 1, протекающего через трансформатор 13 тока. При данной фазировке токов на выходе фазочувствительного выпрямителя 10 будет напряжение отрицательной полярности 24, фиг.6, которое в сумматоре 15 скомпенсировано напряжением положительной полярности блока 17 при наладке устройства защиты. Для данного противофазного начального тока 21 небаланса по отношению к току батареи ток 26 разбаланса в диагонали также совпадает по фазе с начальным током небаланса. Суммарный ток в диагонали увеличивается и пропорционально суммарному значению тока увеличивается и напряжение 24 отрицательной полярности на выходе выпрямителя 10, которое в свою очередь приведет к отклонению напряжения 28 отрицательной полярности фиг.6 от нулевого значения на выходе сумматора 15. При достижении напряжения уровня уставки срабатывает компаратор 16 отрицательной полярности, входной сигнал которого поступает на дополнительный вход исполнительного элемента 9.

В указанном случае отсутствует влияние начального тока небаланса.

Рассмотрим случай, фиг.7, когда повреждение конденсатора вызывает ток 26 разбаланса, противоположный по фазе по отношению к начальному току небаланса. Суммарный ток в диагонали уменьшается, но еще совпадает по фазе с начальным током небаланса и находится в противофазе по отношению к току батареи 1. На выходе выпрямителя 10 сохраняется отрицательная полярность напряжения 24, но величина его уменьшается пропорционально уменьшению величины суммарного тока диагонали батареи. При суммировании напряжения 24 отрицательной полярности, но уменьшенной величины на выходе выпрямителя 10 с напряжением смещения 25 положительной полярности блока 17 в сумматоре 15 получим на его выходе напряжение 28, фиг.7, положительной полярности, так как величина напряжения положительной полярности блока 17 смещения компенсировало большую величину напряжения отрицательной полярности на выходе выпрямителя 10. Данное отклонение фиксирует компаратор 8 положительной полярности, с выхода которого поступает сигнал на основной вход исполнительного элемента 9.

Дальнейший выход конденсаторов в плечах моста, фиг.8, который вызывает протекание тока 26 в диагонали в противофазе по отношению к начальному току небаланса 21 будет уменьшать общий ток вплоть до нулевого значения. Пропорционально уменьшению тока в диагонали будет уменьшаться и напряжение отрицательной полярности на выходе выпрямителя 10, что будет приводить к возрастанию величины напряжения положительного знака на выходе блока 15. После превышения током 26 разбаланса, вызванного повреждением конденсаторов величины начального тока 21 небаланса, произойдет изменение фазы тока в диагонали на 180^о эл. по отношению к первоначальному току небаланса, который совпадает по фазе с током батареи 1. Начиная с момента смены фазы тока в диагонали, меняется знак выпрямленного напряжения 24 на выходе фазочувствительного выпрямителя 10 с отрицательной полярности на положительную. И при дальнейшем увеличении тока разбаланса по абсолютной величине, протекающего в противофазе по отношению к начальному току в диагонали и в фазе с током батареи 1 будет пропорционально этому значению увеличиваться напряжение положительной полярности на выходе выпрямителя 10 и соответственно суммарное значение напряжения 28 положительной полярности на выходе блока 15. При отключении батареи 1 начальный ток в ее диагонали становится равным нулю. Чтобы не происходило ложного срабатывания устройства защиты от напряжения смещения блока 17, последний блокируется сигналом блок-контакта 19 положения выключателя 20.

Использование реверсивного выпрямителя с управлением от опорной фазы исключает двузначность характеристики при встречных токах разбаланса по отношению к начальному току небаланса. На фиг.10 показана без смещения зависимость изменения величины выходного напряжения блока 10 при повреждении конденсаторов в двух режимах работы:
прямая 32 для случая совпадения по фазе тока начального небаланса и тока разбаланса, демонстрируемом на фиг.3,
прямая 33 для случая, когда ток начального небаланса в противофазе с током разбаланса, демонстрируемом на фиг.4 и 5.

Точка n₁ соответствует уровню срабатывания компаратора 8 или 16 при повреждении конденсаторов в зависимости от складывающегося режима (прямые 32, 33) и исходного состояния фильтра. Фиг.9 соответствует исходному состоянию конденсаторной батареи, при котором начальный ток небаланса в диагонали 6 совпадает по фазе с током опорной фазы блок 13.

Штриховой линией на фиг. 9 приведена зависимость выходного напряжения блока 10 для обычного нереверсивного выпрямителя, при котором возможны срабатывания компараторов при повреждении конденсаторов n₂ и n₃.

На фиг. 10 показаны без смещения зависимости аналогичные представленным на фиг.9, но для другого исходного состояния конденсаторной батареи, при котором начальный ток небаланса в диагонали 6 находится в противофазе к току опорной фазы в двух режимах:
прямая 32 для режима, когда ток начального небаланса в противофазе с током разбаланса при повреждении конденсаторов, которые демонстрировалось на фиг.7 и 8,
прямая 33 для режима совпадения по фазе тока начального небаланса и тока разбаланса при повреждении конденсаторов, демонстрируемом на фиг.6.

На фиг.11 приведены зависимости, аналогичные фиг.9 и 10, но с введением смещения от блока 17.

Управляемый реверсивный выпрямитель фиг.2 можно выполнить на элементной базе транзисторов или аналоговых ключей с гальваническим разделением входом 11 и 12 с помощью трансформаторов или оптронной пары (оптотранзисторы). Последовательное и встречное включение двух транзисторов Т₁ и Т₂ одного ключа необходимо для того, чтобы в закрытом состоянии без открывающего напряжения ключ держал напряжение любой полярности (переменное напряжение), т.к. один из транзисторов при смене полярности может проводить ток как диод в прямом направлении, то второй транзистор держит напряжение. Ключи Т₁-Т₂ и Т₃-Т₄ управляются поочередно, что указано точками на вторичных обмотках трансформатора коммутирующего входа 12.

Использование: релейная защита конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности нагрузок, а также конденсаторных батарей фильтров высших гармоник. Сущность изобретения: в каждом плече моста конденсаторы включены параллельно-последовательно вместе с индивидуальными предохранителями. В диагональ моста включен трансформатор тока, реагирующий на ток небаланса, появляющийся при повреждении конденсаторов. Устройство отличается тем, что в него введены фазочувствительный реверсивный выпрямитель с сигнальным входом и коммутирующим входом опорной фазы, дополнительный трансформатор тока, дополнительный согласующий элемент, двухвходовой аналоговый сумматор, дополнительный двухступенчатый компаратор отрицательной полярности с независимой и регулируемой выдержкой времени, блок регулируемого реверсивного смещения и блок регулируемого реверсивного смещения со входом блокировки. Это позволяет получить симметричную выходную характеристику устройства защиты при любом значении по величине и фазе начального тока небаланса, что исключает необходимость подбора конденсаторов при замене вышедших из строя, повышая тем самым ремонтопригодность и сокращая время ремонта. А улучшение качества характеристики приводит к повышению чувствительности и соответственно надежности работы конденсаторной батареи. 11 ил.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ КОНДЕНСАТОРНОЙ БАТАРЕИ, СОБРАННОЙ ПО СХЕМЕ МОСТА ИЗ ЧЕТЫРЕХ ПЛЕЧ, СОСТОЯЩИХ ИЗ ПАРАЛЛЕЛЬНО-ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО ВКЛЮЧЕННЫХ КОНДЕНСАТОРОВ С ИНДИВИДУАЛЬНЫМИ ПРЕДОХРАНИТЕЛЯМИ, содержащее трансформатор тока, предназначенный для включения в диагональ моста, вторичная обмотка которого подключена к согласующему элементу, двухступенчатый компаратор положительной полярности с независимой и регулируемой выдержкой времени, выход которого подключен к входу исполнительного элемента, выпрямитель, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и чувствительности путем исключения несимметрии, вызванной начальным током небаланса в цепи диагонали моста, выпрямитель выполнен фазочувствительным реверсивным с сигнальным входом и коммутирующим входом тока опорной фазы, дополнительно введены трансформатор тока конденсаторной батареи, дополнительный согласующий элемент, двухвходовый аналоговый сумматор, дополнительный двухступенчатый компаратор отрицательной полярности с независимой и регулируемой выдержкой времени, блок регулируемого реверсивного смещения, вход блокировки которого соединен с вновь введенным блоком контактов положения выключателя, исполнительный элемент выполнен с дополнительным входом, при этом фазочувствительный реверсивный выпрямитель сигнальным входом подключен к выходу согласующего элемента, его коммутирующий вход тока опорной фазы подключен к выходу дополнительного согласующего элемента, вход которого подключен к вторичной обмотке дополнительного трансформатора тока конденсаторной батареи, выход фазочувствительного реверсивного выпрямителя подключен к первому входу аналогового сумматора, к второму входу которого подключен выход блока регулируемого реверсивного смещения, выход аналогового сумматора подключен к входам компараторов положительной и отрицательной полярности, а выход компаратора отрицательной полярности подключен к дополнительному входу исполнительного элемента.