Устройство для защитного отключения электроустановки Советский патент 1982 года по МПК H02H3/17 

(5) УСТРОЙСТ60 ДЛЯ ЗАЩИТНОГО ОТКЛОЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для защитного отключения электроустановок при опасных утечках тока из токоведущих элементов на землю.

Известно устройство для защитного отключения электроустановки, содержащее трансформатор тока нулевой пбг следоваIельности, к выходу котррого подключен блок формирований сигнала по скорости нарастания {по npoMSBoAHo) тока утечки и блок формирований сигнала по абсолютному значению тока утечки, выходы которых соединены с исполнительным органом защиты, а та/К же трансформатор тока нагрузки, ; к, выходу которого подключен блок фо0мирования сигнала запрета, выход которого соединен с вторым входом 6Jnpка формирования сигнала по скорости нарастания Спо производной) тока утечки СП.

К .недостаткам этого устройства относится то, что трансформатор тока нулевой последовательности не позволяет выделить трехфазные симметричные токи утечки электроустановки например, при равномерном снижении сопротивления ее изоляции до недопустимого уровня) и двухфазные утечки, уровень сигношое этих утечек значительно отличается от однофазныхо

Кроме того, устройство имеет уз10кую область применения, например, его нельзя использовдть для систем дискретного контроля сопротивления утечки.

Наиболее близким к предлагаемому

15 является устройство для защитного отключения сети переменного тОка с изолированной нейтралью, содержащее последовательно соединенные источник оперативного тока и датчик сопротив30ления утечки, выполненный в виде Г-образного четырехполюсника и реле (оно выполняет одновременно функции преобразователя оперативного тока и

3 исполнительного органа защиты), соединенные с сетью через блок подключения, содержащий последовательно соединенные трехфазный дроссель и цепь развязки, состоящую из последовательно соединенных нулевого дросселя и конденсатора.

Резистор в схеме датчика сопротивления утечки этого устройства служит для ограничения величины оперативного тока через сопротивление утечки до безопасной величины, а конденсатор - для формирования производной оперативного тока при скачкообразном изменении сопротивления утечки, что позволяет получить деформированную характеристику выходного сигнала датчика, сущность которой заключается в формировании сигнала, зависящего только от величины скачкообразно возникшего сопротивления утечки и не зависящего до определенного уровня (недопустимого по условиям электро- и пожаробезопасности) абсолютного значения сопротивления изоляции электроустановки, медленно изменяющегося с течением времени.

При этом величина деформации характеристики защитного устройства характеризуется коэффициент ом

степени деформации Кп --г , где

i Ku tp

Ru - отключающее сопротивление утечки при бесконечно большом сопротивлении изоляции; RUVC.P предельное отключающее сопротивление изоляции электроустановки t2.

К недостаткам известного устройства относится отключение уставки срабатывания от необходимой в зоне низкого значения сопротивления изоляции электроустановки. Это отклонение зависит от принятого коэффициента степени деформации, который может находиться в пределах при Kci 1 характеристика является канонической, а при - наибол деформированной. Однако в данном устройстве нельзя использовать наибольшую деформацию характеристики, поскольку нельзя принять значение критического сопротивления изоляции равным нулю (оно должно быть всегда выше минимального уровня, допустимого по условиям электро- и пожаробезопасности, при эксплуатации любы электроустановок).

Кроме того, устройство имеет узкую область применения, например, его нельзя использовать в системах дискретного контроля сопротивления 5 утечки с применением цифровых преобразователей или устройств циклического режима работы, которые являются более перспективными в части улучшения таких характеристик,

0 как унификация, повышение надежности работы, повышение точности измерения сопротивления утечки и, на-, конец, в перспективе использования в измерительных информационных системах и системах комплексного управления электроснабжением горных предприятий с применением вычислительных машин.Это определяет ся тем,что контролируемый сигнал формируется только в

0 виде однократного переходного процесса оперативного тока в момент появления недопустимого значения сопротивления утечки-, а не в заданный момент времени, определяемый шагом дискретизации в цифровых измерительных преобразователях (или в системе контроля сопротивления утечки с цикличным прерыванием цепи нагрузки) .

Q Все в целом снижает надежность работы защитного устройства.

Цель изобретения - расширение области применения путем обеспечения его работы для систем дискретного контроля сопротивления утечки, а также исключения влияния сопротивления изоляции электроустановки на уставку срабатывания.

Поставленная цель достигается тем, что устройство для защитного от0ключения электроустановки, содержащее блок подключения, через который к токоведущим и к заземленным ее элементам подключены последовательно соединенные источник оперативного тока и датчик сопротивления утечки, выполненный на конденсаторе и последовательно соединенных резисторе и преобразователе оперативного тока, выход которого соединен с первым входом исполнительного органа, снабжено формирователем селекторных импульсов и ключом, соединенным последовательно с конденсатором датчи. ка сопротивления утечки, причем эта

цепь включена параллельно резистору упомянутого датчика, при этом управляющий вход ключа соединен с первым выходом формирователя селекторных импульсов, второй выход которого соединен с вторым входом исполнительного органа. Преобразователь, оперативного тока выполнен на последовательно соединенных датчике приращения оперативного тока и датчике абсолютного значения оперативного тока, выходы их соединены с первым входом исполнительного органа, причем цепь, сос тоящая из последовательно соединенных ключа и конденсатора, включена параллельно цепи, состоящей из последовательно соединенных резистора и датчика абсолютного значения оперативного тока. На фиг.1 и изображены варианты блок-схемы устройства. Устройство содержит последовательно соединенные источник 1 постоянного оперативного тока и датчик 2 сопротивления утечки, которые соединены с токоведущими элементами 3 электроустановки и заземляющими ее элементами k через блок 5 под ключения. Второй вход датчика 2 со ,противления утечки соединен с пербы выходом формирователя 6 селекторных импульсов, второй выход которого соединён с одним из входов исполнительного органа 7, второй вход которого соединен с выходом датчика 2 сопротивления утечки. Сопроти ление утечки электроустановки показано в виде резистора 8. В качест ве исполнительного органа 7 могут быть использованы элемент 9 совпадения и пороговый элемент 10. Датчик 2 сопротивления утечки может быть выполнен из преобразователя 1 оперативного тока, соединенного последовательно с резистором 12, параллельно которому включена цепь, состоящая из последовательно соединенных Iконденсатора 13 и бесконтактного ключа Не двухсторонней проводимостью. Выход преобразователя 11 оперативного тока подключен к входу исполнительного органа 7, а вход ключа 1 соединен с выходом формирователя 6 дискретных селекторных импульсов. Для исключения влияния сопротив ления изоляции электроустановки на уставку срабатывания устройства преобразователь 11 оперативного тока может быть выполнен из последовательно соединенных датчика 15 16 Приращения оперативного тока и датчика 16 абсолютного значения оперативного тока, включенных последовательно с резистором 12, а выходы их соединены с исполнительным органом 7, причем цепь, состоящая из последовательно соединенных ключа 14 и конденсатора 13. включена параллельно цепи, состоящей из последовательно соединенных резистора 12 и датчика 1б абсолютного значения оперативного тока. Датчики 15 и 16 состоят из преобразователей 17 и 18 тока, в качестве которых используются шунты (или низкоомные резисторы) , и усилителей 19 и 20 постоянного тока.. Устройство работает следующим образом. В процессе измерения сопротивления утечки 8 по цепи: токо-ведуа ие элементы 3 электроустановки - блок 5 подключения - датчик 2 сопротивления утечки - источник 1 оперативного тока - блок 5 подключения - заземляющие элементы электроустановки протекает оперативный ток от источника 1. Величина оперативного тока преобразуется датчиком 2 сопротивления утечки, с выхода которого подается управляющий сигнал на исполнительный орган 7. Контроль величины сопротивления утечки производится по сигналу формирователя 6 селекторных импульсов, сигналь управления с которого подаются на датчик 2 сопротивления утечки и элемент 9 совпадения исполнительного органа 7. Если величина сигнала оперативного тока превышает заданную, то элемент 9 совпадения при наличии на обоих входах открывающих сигналов, подает сигнал управления на пороговый элемент 10, который срабатывает и воздействует на цепь отключения электроустановки (не показана Датчик 2 сопротивления утечки работает следующим образом. -При высоком значении сопротивления изоляций электроустановки ISu и при отсутстВИИ недопустимого значения сопротив-. ления утечки (2) величина оперативного тока, протекающего через датчик, имеет небольшое значение, и сигнал с выхода преобразователя 11 тока не достигает порога срабатыва-. ния исполнительного органа 7 защйть. Величина напряжения на конденсаторе 13 соответствует падению напряжения

на резисторе 12, причем заряжается емкость до этого напряжения только в моменты открытого состояния ключа. Т, когда на вход его поступают дискре1ные селекторные сигналы от формирователя 6 селекторных импульсов. При изменении сопротивления изоляции величина падения напряжения на резисторе 12 также изменяется, а конденсатор 13 при этом заряжается до значения падения нарряжения на резисторе 12 при каждом дискретном измерении (в моменты открытого состояния ключа 1) в зависимости от увеличения или уменьшения падения напряжения. При медленном возрастании оперативного тока между двумя его смежными дискретными измерениями падение напряжения на резисторе 12 изменяется незначительно, и протекающий зарядный то конденсатора 13 через преобразователь 11 не достигает величины выходного сигнала датчика, превышающего порог срабатывания исполнительного органа 7. Аналитическое выражение для оперативного тока, который прсэ текает через преобразователь 11, находят, например, согласно общеизвест ному классическому методу расчета переходных процессов .в эОтектрических цепях Для наглядности и простоты расчетов параметрами элементов блока 5 подключения и величиной сопротивления пр.еобразователя 11 пренебрегают. При этом для установившегося значения сопротивлени изоляции выражение для оперативного тока, который протекает через преобразователь 11 . (до внезапного появления сопротивления утечки при ), имеет вид iC-o) где i (-о) - оперативный ток установившегося значения (до появления недопустимого сопротивления утечки); сопротивление резистора 12; ЭДС источника 1 операти ного тока. При появлении сопротивления утеч ки формируемый переходный процесс оперативного тока происходит не в момент появления сопротивления утеч ки, а в момент о скрывания ключа

селекторными сигналом от формирователя 6. При этом конденсатор 13 до поступления селекторного сигнала на ключ k заряжен величиной падения напряжения на резисторе 12 во время предварительно дискретного измерения оперативного тока (до появления сопротивления утечки), а при последующем дискретном измерении (после появления сопротивления утечки) падение напряжения на резисторе 12 увличивается пропорционально величине сопротивления утечки, и в момент открытия ключа 1 происходит дополнительный заряд конденсатора 13 на величину приращения оперативного тока, которое фиксируется преобразователем 11. Таким образом, ключ позволяет задерживать начальный момент формирования искомого переходного процесса оперативного тока и формировать его в необходимый заданный момент времени. При этом выражение для оперативного тока в первый момент времени (при ) переходного процесса имеет вид

ЕМУ -Ue

i () э

где U(j i С-й R - остаточное напряжение на конденсаторе перед началом протекания переходного процесса оперативного тока;

-

RS эквивалентное сопротивRU- -RH

ление утечки электроустановки после появления сопротивления утечки„

.После подстановки составляющих и преобразования получают выражение для оперативного Нгока в удобной для анализа форме Ейп (RU+RL) . . () /RC Это выражение показывает, что если внутреннее сопротивление датчика сопротивления утечки Ко, равно величине отключающего сопротивления утечки Я , т.е. уставке срабатывания защитного устройства, формируемый сигнал датчика (оперативный ток) в моменты внезапного появления сопротивления утечки не зависит от величины сопротивления .изоляции электроустановки, т.е. 14-1-0) Een/R(j. Это позволяет полностью устранить влияние сопротивления изоляции электроустановки (медленно изменяющегося . во времени) на уставку срабатывания устройства. Если же принять Ra большим, чем значение уставки сраса тывания устройства по сопротивлению утечки RIJ, то в зоне низкого значения сопротивления изоляции электроустановки.будет снижение сигнала дат чика (недозащита). Если же принять сопротивление датчика Rcj меньшим, чем Ri (по аналогии с рекомендациями материалов прототипа), то в этом слу чае будет повышение сигнала датчика (перезащита). При этом необходимо отметить, что использование указанного датчика в предлагаемом устройстве так же как и в известном, с одним каналом формирования выходного сигнала.оперативного тока может быть рекомендовано к применению в устройст вах для защиты электроустановок, в которых сопротивление изоляции можно поддерживать выше величины уставки устройства по отключающему сопротивлению утечки и в которых используется автоматическое повторное включение силового напряжения при устранении (самоустранении) недопустимого значения сопротивления утечки (с исполь зованием блокировочных реле утечки), т.е. в случаях автоматического обеспечения электроснабжения электроуста новок в условиях частого защитного отключения. Это рекомендуется потому, что настоящий уровень развития средств контроля сопротивления утечки для режима контроля в отключенном состоянии электроустановки не всегда позволяет получить достоверную инфор мацию о наличии недопустимого значения сопротивления утечки на фоне низкого значения сопротивления изоляции электроустановки. Поэтому блокировочные реле утечки (или общесетевые защитные устройства, работающие в режиме блокировочных реле утеч ки при от ключенном;иловом напряжении электроустановки) контролируют абсолютное значение суммарного сопро(Тивления (сопротивления изоляции и сопротивления утечки) и только после устранения (самоустранения) недопустимой суммарной величины этого сопротивления могут осуществить автоматическое повторное включение напряжения электроустановки согласно требованиям безопасности. Деформация выходного сигнала датчика IB этбм случае необходима только для получения устойчивости работы устройства при сопротивлении изоляции электроустановки, близком к величине уставки устройства по сопротивлению утечки. Условие высокой степени деформации в этом случае не требуется, поскольку при первом же защитном отключении блокировочное реле утечки не позволит подать сиповое напряжение на электроустановку при низком сопротивлении ее изоляции (когда величина его ниже, чем уставка по безопасному значению сопротивления утечки). В электроустановках с нечастым зашитным отключением, например в неразветвленных сетях, а также в разветвленных сетях при осуществлении псевдоселективной защиты от утечек (которая использует общесетевое защитное устройство и блокировочные реле утечки на каждом отходящем присоединении), при которой общее сопротивление изоляции электроустановки разделяется на ряд составляющих, каждая из которых контролируется отдельным блокировочным реле утечки, а также для электроустановок, работающих в условиях низкого значения сопротивле;1ия изоляции, когда поддержание его на высоком уровне связано с большой трудоемкостью работ (например в условиях эксплуатации шахтных контактных сетей электровозного транспорта с высокой запыленност ью и влажностью окружающей,среды), рекомендуется использовать датчик с оптимальной деформацией формируемого сигнала. Этот датчик содержит преобразователь IV оперативного тока, выполненный из последовательно соединенных датчика 15 приращения оперативного тока и датчика 16 абсолютного значения оперативного тока (фиг.2). Особенностью его является то, что формирование выходного сигнала по скорости нарастания (приращения) one-, ративного тока осуществляется датчиком 15, выходной сигнал которого устанавливают по требуемой величине приращения оперативного тока, соответствующей появлению в сети сопротивления утечки, равного (или мёньшего) уставке срабатывания устройства, а формирование выходного сигнала на абсолютному значению оперативного .тока осуществляется датмиiiком 16, выходной сигнал которого ус танавливают по требуемой величине абсолютного значения оперативного тока, которое соответствует наличию сопротивления изоляции электроустановки, равного или меньшего критическому значению уставке. По скольку датчики 15 и 16 работают раздельно, то в этом случае можно устанавливать сигналы преобразователей 17 и 19 (.или выходных сигнало усилителей 18 и 20 согласно требуемому уровню поступающих сигналов с преобразователей 17 и 19)« Независи мая (раздельная) работа этих датчиков позволяет выбрать оптимальные параметры устройства и получить оптимальную деформацию его защитной характеристики. При этом выбор параметров устройства производят со-, гласно следующим положениям. Величину сопротивления резистора t2 со гласно выводам, изложенным выше) ус танавливают равной величине уставки по сопротивлению утечки электроустановки, т.ео , а величину напряжения источника оперативного тока устройства определяют из выражения EQJ, Oon.qon fC.j+iu), где Joagon допустимая величина оперативного то ка, которая может протекать 4ерез сопротивление утечки величиной в 1000 Ом (она не должна превышать 0,01 А согласно требованиям безопас ности) ; Rf - расчетное значение сопротивления тела человека, прикосну шегося к токоведущей части электроустановки (1000 Ом). Технико-экономическая эффективность предлагаемого устройства по сравнению с известными заключается в расширении области применения уст ройства для систем дискретного конт роля сопротивления утечки (в том числе и для систем циклического контроля сопротивления утечки и устранении влияния сопротивления из ляции электроустановки в зоне низкого его значения на уставку срабатывания устройства. Предлагаемое устройство позволяе повысить условия надежности и элект робезопасности при эксплуатации электроустановок горнорудных предприятии. 51 Формула изобретения 1. Устройство для защитного отключения электроустановки, содержа,щее блок подключения, через кототорый к токоведущим и заземленным ее элементам подключены последо;вательно соединенные источник оперативного тока и датчик сопротивления утечки, выполненный на кон.денсаторе и последовательно соединенных резисторе и преобразователе оперативного тока, выход которогосоединен с первым входом исполнительного органа, о т л и чающееся тем, что, с целью расширения области применения путем обеспечения его работы для систем дискретного контроля сопротивления утечки, оно снабжено формирователем селекторных импульсов и ключом, соединенным последовательно с конденсатором датчика, сопротивления утечки, причем эта цепь включена параллельно резистору упомянутого датчика, при этом управляющий вход ключа соединен с первым выходом формирователя селекторных импульсов, 1второй выход которого соединен с вторым входом исполнительного органа. 2, Устройство по п. 1, о т л и чающееся тем, что, с целью исключения влияния сопротивления изоляции электроустановки на уставку срабатывания, преобразователь оперативного тока выполнен на последовательно соединенных датчике приращения оперативного тока и датчике абсолютного значения оперативного тока, выходы их соединены с первым входом исполнительного органа, причем цепь, состоящая из последовательно соединенных ключа и конденсатора включена параллельно цепи, состоящей из последовательно соединенных резистора и датчика абсолютного значения оперативного тока. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР №465690, кл. Н 02 Н 3/1, 1975. 2.Тонкошкур Л.С. и др. Деформирование защитных характеристик реле утечки с помощью переходных гфоцессов. Электричество, 1973, № 7, с 8587 прототип.

(Риг.1

фиг. г