Устройство для защиты контактной сети переменного тока от замыкания на землю Советский патент 1982 года по МПК H02H3/16 H02H3/38 

Изобретение относится к релейной защите и предназначено для обнаружения токов замыканий на грунт с последующим отключением контактной линии в контактных сетях переменного тока электрических железных дорог.

Известно устройство для защиты и управления фидером контактной сети ,электрических железньк дорог переменного тока 1.

Известно устройство для защиты фидеров контактной сети электрифицированных железных дорог перемен ного тока от токов короткого замыкания 2.

Эти устройства обеспечивают защиту контактных линий при таких токах замыкания, значения которых больше значения номинального тока линии.При Зс1мыкании контактного провода на грунт токи зги-плканий значительно меньше, чем при замыкании на рельс, а углы сдвига фаз напряжения и тока линии при этом меньше минимально возможных при нагрузке. Данными устройствами подобные режимы замыканий обнаружить невозможно. Кроме того, в устройствг1Х достаточно сложные узлы блокировки по минимальному току, которые при работе с малыми токами необходимо усложнить усилительны. узлом.

Известно устройство для защиты контактной сети переменного тока от замыканий на грунт, содержащее датчик фазы с фильтрами напряжения и тока, подключенными входами соответственно к трансформатору напряжения и трансформатору тока, а выходами 10соответственно с усилителями- огра ;ничителями напряжения и тока, формируюрдими прямоугольные импульсы, совпадающие по фазе, с полуволнами синусоид напряжения (О-ISO ; и то15ка (.0-180°) , исполнительный орган и датчик фазы, снабженный логическим блоком на двух инверторах и двухвходовом элементе совпадения, один вход которого соединен с выходом

20 усилителя-ограничителя напряжения, другой вход соединен с выходом инвертора, соединенного входом с выходом усилителя-ограничителя тока, а- выход элемента совпгщения соеди25нен с входом второго инвертора, выход которого является выходом датчика фазы и соединен с одним входом блока сравнения, другой вход которого соединен с источником опорного

30 ,J:Iaпpяжeния, а третий вход соедийен с элементом блокировки, вход которого соединен с выходом фильтра тока, при этом выход блока сравнения соединен с исполнительным орга- ном 3. Недостаток устройства заключается в ненадежности узла блокировки по минимальному току, содержащего, как правило, одно- или двухполупериодную схему выпрямления и схему сравнения выпрямленного напряжения с опорным. Кроме того, устройство име ет недостаточно высокое быстродействие.: ; Наиболее близким к предлагаемому является устройство для защиты контактной сети переменного тока от замыканий на землю, содержащее измери тельный трансформатор тока, выход которого подключен к первому входу .датчика сдвига фаз кривых напряжений и тока с первым усилителем ограничителем тока, формирующим пря моугольные положительные импульсы, совпадающие с полуполновой (0-180°) кривой тока, и двумя инверторами, вход одного из них соединен с выходом первого усилителя-ограничителя тока, потенциометр установки любой полярности опорного напряжения, при чем ыход датчика и движок потенцио метра соединены с соответствующими входами блока сравнения углов,, выход которого подключен к исполнительному органу отключения линии, а один выход потенциометра соединен с общим зажимом. Устройство содержит также вспомогательный трансформатор и выпрямитель на двух диодах, а упомянутый датчик угла сдвига фаз снабжен вторым усилителем тока, формирующим прямоугольные положител ные импульсы, совпадающие с полуволной (о-180°) кривой тока, сдвоен ным потенциометром, источниками положительного и отрицательного напря жений смещения, четырьмя диодами, четырьмя формирующими блоками и узлом алгебраичедкого сложения на четырех резисторах 43-; Однако данное устройство имеет недостаточно высокое быстродействие что является следствием способа изм рения и сравнения текущего и опорного углов. Очевидно, что сигнал сравнения может появится: не ранее произойдет измерение площадей пЬлуволн, соответствующих опорному углу, т.е. не ранее чем перио Наличие зависимости уставки напряже ния смещения как от тока отсечки, так и от угла отсечки создает определенные неудобства в эксплуатации. устройства. Кроме того, точность из мерения недостаточно высокая вследствие того, что высшие гармоники, ; накладываясь на сигналы, соответствующие текущем и опорному углам, непропорционально изменяют их площади . Цель изобретения - повышение быстродействия и точности измерения и упрощение настройки. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, содержащем измерительный трансформатор напряжения, измерительный трансформатор тока, трансформатор формирования вспомогательных напряжений с одной первичной и двумя вторичными обмотками, задатчик угла отсечки, включающий в себя узел задания уставки угла отсечки, датчик текущего угла сдвига кривых напряжения и тсОса линии с формирующим прямоугольные положительные импульсы, совпадающие с полуволной (0-180° кривой тока, усилителем-ограничителем тока, потенциометром установки напряжений смещения, двумя диодами, инвертором, двумя, формирующими блоками и узлом алгебраического сложения сигналов на двух резисторах с двумя объединенными выводами, представляйощими собой выход указанного датчика, при этом первый вход усилителя-ограничителя тока соединен с движком потенциометра установки напряжения смещения, первый вход первого блока формирования сигналов соединен с выходом усилителя-ограничителя тока и входом инвертора, второй вход соединен с катодом первого диода, а выход соединен с свободным выводом первого резистора узла алгебраического сложения, первый вход второго блока формирования сигналов подключен к выходу инвертора, второй вход подключен к катоду второго диода, а выход соединен с свободным выводом второго резистора узла алгебраического сложения, блок сравнения углов и исполнительный орган, причем измерительный трансформатор напряжения соединен с началом первичной обмотки вспомогательного транс форматора, начало первой вторичной обмотки вспомогательного трансформатора соединено :с анодом первого диода упомянутого датчика текущего угла, сонец второй вторичной обмотки вспомогательного трансформатора соединен с анодом второго диода датчика текущего угла, выход трансформатора тока подключен к второму входу усилителя-ограничителя тока датчика текущего угла, выходы упомянутых задатчика и датчика соединены с входами блока сравнения углов, выход последнего соединен с входом исполнительного органа отключения линии, первый вывод потенциометра установ- ки напряжения смещения датчика текущего угла, конец первичной, конец первой вторичной и начало второй вторичной обмсУгок вспомогательного трансформатора соединены с общим за жимом/ в :эадатчик угла отсечки дополнительно введены усилйтель-озгра ничитель сдвинутой основной гармоники напряжения линии, первый и вто рой блоки формирования«сигналов, ин вертор, два диода, потенциометр узла Зсшания уставки угла. отсечки и узел алгебраического сложения сигна лов на двух резисторах с двумя объе диненными выводг1ми, представляющими собой выход задатчика угла отсечки, выводы потенциометра узла задания уставки угла отсечки соединены соответственно с выходом измерительного трансформатора напряокения и ко денсатором этого же узла, причем дв жок упомянутого потенциометра соединен с входом упомянутого усилителя-ограничителя задатчика угла отсечки, началопе{ вой вторично.й обмотки вспомогательного трансформатора соединено с катодом первого: диода указанного задатчика угла отсечки , конец второй вторичной обмоткя вспомогательного трансформатора сое динен с катодом второго диода задатчика, первый вход первого блока формирования сигналов задатчика соединен с выходом упомянутого усилителя-ограничителя задатчика и входом инвертора задатчика, а второй вход - с анодом первого диода задатчика, выход указанного инвертора соединен с первым входом второго блока фоЕ шрования сигналов задатчика, второй вход второго блока формирования сигналов задатчика соединен с анодом второго диода задатчика, выходы обоих блоков формирования сигналов згихатчика соединены со свободными выводс1ми резисторов узла гшгебраического сложения задатчика, свободный вглвод конденсатора узла за дания уставки угла отсечки задатчи ка соединен с общим зажимом, свободный вывод потенциометра датчика соединен с выходом измерительного трансформатора напряжения.. На фиг.1 приведена структурная электрическая схема устройства; на фиг.2 - временная диаграмма работы устройства; на фиг.З - зона работы устройства; на фиг.4 - электрическая схема блоков формирования сиг,налов, соответствующих текущему углу сдвига кривых напряжений и тока; на фиг.5 - то же, соответствующих углу отсечки; на фиг.б - злектрическая схема усилителя-ограничителя тока; на фиг. 7 - элек -рическая схеяа усилителя-ограничителя сдвинутой основной гармоники напряжения линии; на фиг.8 - электрическая схема блока соавненияуглов. Устройство состоит из трансформа,тора 1 форг/шрования вспомогательных напряжений, эгщатчика 2 угла отсечки, датчика 3 текущего угла сдвига кривых напряжения и тока линии, блока 4 сравнения углом и исполнительного органа 5. . Задатчик 2 содержит узел 6 зада;ния уставки угла отсечки, диоды 7 и 8 выделения вспомогательных отрицательных полуволн, усилитель-ограничитель 9 сдвинутой ОСНОВНОЙ гармоники напряжения линии, блоки 10 и 11 формирования сигналов, соответствуюсщх углу отсечки, инвертор 12 и узел 13 алгебраического сложения сигналов. Узел 6 задатчика 2 содержит потенциометр 14 и фазосдвигающий конденсатор 15. Датчик 3 содержит диоды 16 и 17 выделения вспомогательных положительных полуволн, усилитель-ограничитель 18 тока, потенциометр 19 установки напр5окения смещения, блоки 20 и 21 формирования сигнгшов, соответствунадих теку1чему углу сдвига кривых напряжения и тока, инвертор 22 и узел 23 алгебраического сложения сигналов. На фиг.З показаны кривые 24 и 25 напряжения и тока линии, напрЯжение 26 смещения, упол 27 отсечки, сдвинутая иа угол отсечки основная гармоника 28 напряжения 24, совмещенные по нулевым уровням вспомогательные полуволны 29 - 32, текущие углы 33 и 34 сдвига положительной и отрицательной полуволн кривой 25 тока с учетсял напряжения 26 смещения, совмещенные по нулевым уровням |СИгна/ал 35 и 36, соответствующие углу 27, алгебраическая сумма 37 сигнгшов 38, 35 и 39, 36 и момент 40 за1«:и ания. На фиг.З показгшы зона 41 работы устройства, граница 42 зоны работы и граница 43 максимально возможной зоны работы при токе отсечки, равном нулю. Устройство работает слёдуюп|им образом. С измерительного трансформатора напряжения сигнал поступает на входа задатчика 2, датчика 3 и первичную обмотку трансформатора 1. С вторичных обмоток трансформатора 1 два напряжения сдвинутых относительно друг друга на 180 эл. гргщ. поступают на задатчик 2 и датчик 3. В задатчике 2 сигнгш, приходящий с измерительнога трансформатора, потенциометром 14 и фазосдвигающей цепочки сдвигается на угол отсечки и подается на вход усилителя-ограничителя 9, кото1«й формирует отрицательные прямоугольные импульсы, совпадающие по фазе с положительной полуволной сдзинутого напряжения. Сигнал с выхода усилителя-ограничителя 9 поступает на вход блока 10 непосредственно и через инвертор 12 на вход блока 11 Блоки 10 и 11 формируют из отрицательных полуволн 31 и 32 сигналы 35 и 36, соответствующие углу 27 отсечки. Сигналы 35 и 36 с выходом блоков 10 и 11 поступают в узел 13 алгебраического: сложения, а с последнего - на вход блока 4 сравнения.

В датчике 3 сигна;а, приходящий с измерительного трансформатора тока, подается на вход усилителя-ограничителя 18, который фор1 шрует положительные прямоугольные импульсы, совпадающие по фазе с положительной полуволной кривой, тока. На второй вход усилителя-ограничителя 18 поступает с потенциометра 19 напряжение 26 смещения кривой 25 тока. Сигнал с выхода усилителя-ограничителя 18 поступает на вход блока 20непосредственно и через инвертор 22 на вход блока 21. Блоки 20 и 21 формируют из положительных полуволн 29 и 30 сигналы 38 и 39, соответствующие текущим углам 33 и 34. Сигналы 38 и 39 с выходов блоков 20 и 21 поCTynatgT в узел 23 алгебраического сложения, а с последнего - на вход блока 4 сравнения.

Поступившие в блок 4 с задатчика 2 и датчика 3 сигналы алгебраически складываются. Блок 4, представляющий собой интегратор без сброса, по знаку полярности алгебраической суммы формирует логический сигнал О либо 1, который управляет исполнительным органом 5. Если текущий угол меньше угла отсечки, блок формирует логический I сигнал 1, поступающий на исполнительный орган Отключения линии.

Величина напряжения смещения определяется уровнем помех и вычисляется по формуле

Ноте и

и

смещ. Кт

где Лоте отсечки линии. А;

Нщ - сопротивление шунта. Ом; KT - коэффициент трансформации трансформатора тока.

Защита от помех работает следуюищм образом.

После наложения напряжения смеще 5Йя на кривую 25 тока, полусумма текущих углов 38 и 39 принимает значение 90 - 180 эл. град., если текущее значение тока (или действующей вместо него помехи) меньше уставки

,тока отсечки, в то время как уставка угла отсечки по теоретическим расчетам не может превышать

32 эл. град.

Появление ложного сигнала отключения линии при бросках токов намагничивания тяговых трансформаторов локомотивбв иcкJJtючaeтcя тем, что по-т лусумма текущих углов за период при бросках токов намагничивания близка и стремится к 90 эл. град., в то время как уставка угла отсечки, как было указано, не может превышать 32 эл. град.

На фиг.З заштрихована зона работы устройства.

Граница этой зоны определяется током отсечки, углом отсечки и строится по формуле

5 W - arcsln отс- 5 intfoTc тек отс arcsin 3

где -гс, уставка тока отсечки линии, А;

отг уставка угла отсечки,

ото эл. град;

текущее значение тока литекнии, А;

текущее значение угла

тек сдвига, эл. град. В предлагаемом устройстве повышаются быстродействие (так как сигнал сравнения появляется раньше, чем через период ) и точность измерения 0 (вследствие того, что высшие гармоники, накладываясь на сигналы, соответствующие текущему и опорному углам, в момент равенства этих углов пропорционально изменяют площади сигналов) и упрощается процесс подбора уставки напряжения смещения (поскольку уставка напряжения смещения определяется только током отсечки), что выгодно отличает предлагаемое устройство от известных.

Формула изобретения

С Устройство для защиты контактной сети переменного тока от замыкания на землю, содержащее измерительный трансформатор напряжения, измерительный трансформатор тока, трансформатор формирования вспомогательных напряжений с одной первичной и двумя вторичными обмотками, задатчик угла отсечки, включающий в себя узел задания уставки угла отсечки, датчик текущего угла сдвига кривых напряжения и тока линии с формирующим прямоугольные положительные импульсы, совпадающие с полуволной (0180°) кривой тока, усилителем-ограничителем тока, потенциометром установки напряжения смещения, двумя диодами, инвертором, двумя формирующими блоками и узлом Алгебраического сложения сигнгшов на двух резисторах с двумя объединенными выводами, представляющими собой выход датчика, при этом первый вход усилите,ля-|Ьграничителя соединен с движком Ьотенциометра установки напряжения смехаэния, первый вход первого блока формирования сигналов соединен с выходом усилителя-ограничителяи входом инвертора, второй вход соединен с катодом первого диода, а выход соединен с свободным выводом первог резистора узла алгебраического сложения, первый вход второгчэ блока формирования сигнсшов подключен к выходу инвертора, второй вход подключен к катоду второго диода, а выход соединен с свободным выводом второго резистора узла аглебраического сложения, блок сравнения углов и исполнительный орган, причем измерительный трансформатор напряжения соединен с началом первичной обмотки вспомогательного трансформатора, начало первой вторичной обмотки вспмогательного трансформатора соединено с анодом первого диода упомянутого датчика текущего угла, конец второй вторичной обмотки вспомогательного трансформатора соединен с анодом второго диода датчика текущего угла, выход трансформатора тока подключен к второму входу усилителяограни ителя тока датчика текущего угла, выходы упомянутых задатчика и датчика соединены с входами блока сравнения углов, выход последнего соединен с входом исполнительного органа отключения линии, первый вывод потенциометра установки напряжения смещения датчика текущего угла, конец первичной, конец первой вторичной и начало второй вторичной обмоток вспомогательного трансформатора соединены с общим зажимом, отличающееся тем, что, с целью повышения быстродействия и точности измерения и упрощения на стройки, в задатчик угла отсечки дополнительно введены усилитель-ограничптель сдвинутой основной гармоники напряжения линии,первый и второй блоки формирования сигналов, инвертор, два диОда, потенциометр узла задания уставки угла отсечки и 1

узел алгебраического сложения сигналов на двух резисторах с двумя объединенными выводами, представляющими србойвыход задатчика угла отсечки, выводы потенциометра узла задания уставки угла отсечки соединены соответственно с выходом измерительного трансформатора напряжения и конденсатором этого же узла, причем движок упомянутого потенциометра

соединен с входом упомянутого усилителя-ограничителя задатчика угла отсечки, начало первой вторичной Обмотки вспомогательного трансформатора соединено с катодом первого диода указанного задатчика угла отсеч-. ки, конец второй вторичной обмотки вспомогательного трансформатора соединен с катодом второго диода задатчика, первый вход первого блока формирования сигналов защатчика соединен с выходом усилителя-ограничителя и входом инвертора, а второй вход с анодом первого диода зещатчика, выход указанного инвертора соединен

с первым входом второго блока формирования сигналов задатчика, второй вход второго блока формирования сигалов задатчика соединен с анодом торого диода задатчика, выходы обоих блоков формирования сигналов задатчика соединены с свободными выводами резисторов узла алгебраического сложения задатчика, свободный вывод конденсатора узла задания уставки угла отсечки задатчика соединен с общим зажимом, свободный вывод потенциометра датчика соединен с выходом измерительного трансформатора напряжения.

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетельство СССР № 207965, кл. В 60 М 3/00, 1964.

2.Авторское свидетельство СССР 228763, кл. В 60 М 1/00, 1964.

3.Авторскоесвидетельство СССР 754549, кл. Н02 Н 3/16, 1978.

4.Авторскоесвидетельство СССР по заявке W2842245/24-07,

кл. Н 02 Н 3/16, 1979.

ffmtff

ffmTT

. f

ffu.

e/. ff

Злод2 г-.

Вход

Вход

(

uf. В