Устройство для направленной защиты от однофазного замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью

 

09) (И) .

-COOS СОИЕТСНИХ

- »,»»

РЕСПУБЛИК

3(Я) Н 02 Н 3/16

ГОСУДМ СТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР.

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНЯТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

М ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ вЂ” Ч. (21 ) 3367 60 5/2 4-07 (22) 23.12.81 (46) 07.08 ° 83. Бюл. 9 29 .(72) B.Ô. Бухтояров (71) Научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по добыче полезных ископаемых открытым способом (53) 621.316.925(088 ° 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 353309, кл. Н 02 Н 3/16, 1972.

2. Авторское свидетельство СССР я 904064, кл. Н 02 Н 3/16 1976 ° (54)(,57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАПРАВЛЕННОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОДНОФАЗНОГО ЭАИЫКАНИЯ HA ЗЕМЛЮ В СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙ

НЕЙТРАЛЬЮ, содержащее осноэной трансформатор тока нулевой последовательности, установленный на защищаемом присоединении, и вспомогательный трансформатор тока, установленный в цепи искусственно сформированного источника емкостного тока, вторичные обмотки которых через амплитудные ограничители подключены к органу сравнения фаз, выход которого связан с исполнительным органом, о т л ич ающе ес я тем, что, с целью повышения точности определения поврежденного присоединения и надежности фуякцноннрования, оно снабжено последовательно соеднненньзлн интегратором с замыкающим ключом, компаратором, к одному входу которого под-.ключен источник опорного напряжения, элементом ПАИЯТЬ íà RS-триггере, и подключенным своим выходом к исполнительному органу, элементом совпадения с двумя входами, один из иотарых подсоединен к выходу вновь введенного пускового органа по напряжению нулевой последовательности, а другой - к выходу триггера, и -вход которого через вновь введенный элемент НЕ подключен к выходу пускового органа, причем вход интегратора подсоединен к выходу органа сравне» ния фаэ, а управляющий вход замыкающего ключа интегратора через вновь введенный элемент ИЛИ подсоединен к - выходу своего элемента QAN$ITb и к выходам элементов ПАМЯТЬ остальных присоединений.

2. Устройство по п. 1, о т л нч а ю щ е.е с я тем, что орган сравнения фаз выполнен íà двухполупериодном управляемом мостике, в.одни из плеч которого включены эмиттер-коллекторные переходы транзисторов, коллектор-.-базовые цепи которых подключены к вторнчньы обмоткам вновь вэеденного управляющего трансформатора, первичная обмотка которого запнтаиа от вторичной обмотки вспомогательного трансформатора тока, при

9 этом вход мостика по переменному току иодключен к вторичной обмотке основного трансформатора тока. нулевой последовательности, а его выход подключен к одному иэ входов вновь введенного порогового усилителя, другой эход которого подключен к источнику опорного напряжения, выход порогового усилителя является выходом органа сравнения фаз.

3 ° Устройство по п е 1, о т л и ч а в щ е е с я тем, что орган сравнения фаз выполнен ga двух замыкающих ключах и двух осяовных яеннвертярующих операционных усилителях, вход одяого из которых, уста новленного в канале отрицательной ноляряоста, подключен к амплитудноае ограничителю, установленному в цепи основного трансформатора тока нулевой последовательности, вход второго усилителя, установленного в канале положительной полярности, подключен к этому же амплитудному ограничителю через вновь введенный первый дополнительный ияэертирующяй усилитель, выходы обоих основных неннвертирующих, усилителей через замыкающие ключа и разделительные дяо1034115

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для защиты от однофазиого замыкания на землю в сетях переменного тока с малым током замыкания на землю.

Известно устройство для направленной защиты от однофазного замыкания на землю (1).

Однако устройство может работать неселективно, так как может быть повреждено само опорное присоединение, относительно которого выявляется присоединение с замыканием на землю.

Указанная цель достигается тем, что устройство, содержащее основной трансформатор тока нулевой последовательности установленный на защищаемом присоединении, и вспомогательный трансформатор тока, установленный на искусственно сформированном источнике емкостиого тока, вторичные обмотки которых через амплитудные ограничители подключены к органу сравнения фаз, выход которого связан с ис,полнительным органом, снабжено последовательно соединенньвки интеграто2О ром с замыкающим ключом, компаратором, один из входов которого подключен к источнику опорного напряжения, элементом ПАМЯТЬ на RS-тркггере, и подключенным своим выходом к испол25 нительному органу элементом совпадения с двумя входами, один из которых подсоединен к выходу вновь введекного пускового органа, по напряжению нулевой последовательности, 30 а другой - к выходу триггера, Рвход которого через вновь введенный элемент HE подключен к выходу пускового органа, причем вход интегратора подсоединен к выходу органа сравне35 ния фаз, а управляющий вход заьаеаюды подключены к входу вновь введенного второго инвертирующего усилителя, подключенного своим выходом к интегратору и через резисторы обрат» ной отрицательной связи к входам основных усилителей, нри атом управляющий вход замыкающего ключа, установленного в канале отрицательной полярности, подключен к выходу вновь введенного первого триггера Шмитта, вход которого через вновь введенный первый дополнительный неинвертирующий усилитель подсоединен к выходу амплитудного ограничителя, установленного в цепи вспомогательного трансформатора тока, управляющий вход замыкающего ключа, установленного в канале положительной полярности, подключен к выходу вновь введенного второго триггера Шмитта, вход которого через вновь введенные и последовательно соединенные дополнительные второй неинвертирующий и третий инвертирующий усилители подНаиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее основной трансформатор тока нулевой последовательности (ТТНП), установленный на защищаемом присоединенки и вспомогательный ТТНН, установленный на искусственко сформированном источнике емкостного тока (ИСИЕТ), вторичные обмотки которых через амплитудные ограничители подключены к органу сравнения фаз (ОСФ), выполненному в виде блока совпадения и подключенному своим выходом к исполнительному органу (ИО) (2 ).

Недостаток устройства состоит в том, что оно может действовать кеселективно от сигналов помех, а также от сигналов небаланса, обусловленных неидентичностью угловых характеристик трансформаторов тока нулевой послеключены также к выходу амплитудного ограничителя вспомогательного трансформатора тока, инвертирующие входы всех неинвертирующих усилителей подключены к источнику опорного напряжения.

4. Устройство по и. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем что орган сравнения фаз выполнен в виде одновходового компаратора сигналов на операционном усилителе, инвертирую- щий вход которого подключен к общему на все присоединения сумматору однополярных сигналов и к выходу соответствующего преобразователя напряжение-ток на транзисторе, вход которого через вновь введенный операционный усилитель подсоединен к выходу низкоомного потенциометра, включенного на .выходе амплитудного ограничителя, подсоединенного к вторичной обмотке основного трансформатора тока нулевой последовательности. дователькости, иесимметрией фаэ сети относительно земли и т.д.

Пель изобретения - повышение точности определения поврежденного присоединения и надежности функционирования устройства.

l034 1 1 5 щего ключа интегратора через вновь введенный элемент ИЛИ подсоединен к выходу своего элемента ПАМЯТЬ и выходам элементов ПАМЯТЬ остальных присоединений.

При этом орган сравнения фаз может 5 быть выполнен по трем вариантам.

Орган сравнения по I-му варианту содержит двухпалупериодный управляемый выпрямитель на диодном мостике, в одни из плеч которого включены, 10 эмиттер-коллектариые переходы транзисторов, коллектор-базовые цепи которых подключены к вторичным обмоткам вновь введенного управляющего трансформатора, первичная обмотка 5 которого запитана от вторичной обмотки вспомогательного трансформатора тока, при этом вход мастика па переменному току подключен к вторичной обмотке основного. трансформатора тока 0 нулевой последовательности, а его выход подключен к одному из входов вновь введенного порогового усилителя, другой вход которого подключен к источнику опорного напряжения, выход порогового усилителя является выходом органа сравнения фаз.

Орган сравнения фаз па II-му варианту содержит два замыкающих ключа и два основных неинвертирующих операционных усилителя, вход одного из них, .установленного в канале отрицательной полярности, подключен к амплитудному ограничителю, установленному в цепи основного трансформатора тока нулевой последовательности, 3> вход второго усилителя, установленного в канале положительной полярности, подключен к этому же амплитудному ограничителю через вновь введенный первый дополнительный инверти- 49 рующий усилитель, выходы обоих асиавных иеинвертирующих усилителей через замыкающие ключи и разделительные диоды подключены к входу вновь введенного второго инвертирующего 45 усилителя, подключенного своим выходом к интегратору и через резисторы отрицательной обратной связи к вхо- дам основных усилителей, при этом управляющий вход замыкающего ключа, установленного в канале отрицательной полярности, подключен к выходу вновь введенного первого триггера

Шмитта,- вход которого через вновь введенный первый дополнительный неинвертирующий усилитель подсоединен к выходу амплитудного ограничителя,устаиовленного в цепи вспомогательного трансформатора тока, управляющий вход замыкающего ключа, установленного в канале положительной 60 полярности, подключен к выходу вновь введенного второго триггера Шмитта, вход которого .через вновь введенные и последовательно соединенные второй дополнительный неинвертирующий 65 и третий дополнительный инвертнрующий усилители подключены также к выходу амплитуднога ограничителя вспомогательного трансформатора тока,.инвертирующие входы всех неинвертирующих усилителей подключены к источнику опорного напряжения.

Орган сравнения фаз па ?II-му варианту выполнен в виде адновходоэага кампаратара сигналов на операционном усилителе, ннвертирующий вход которого подключен к общему на все присоединения сумматору однополярных сигналов и к выходу соответствующего преобразователя напряжение-так на транзисторе, вход каторога через вновь введенный .операционный усилитель подсоединен к выходу низкоамнаго потенциаметра, включеннага на выходе амплитудного ограничителя, подсоединенного к вторичной обмотке основного трансформатора тока нулевой последовательности, На фиг.1 представлено устройство для направленной защиты ат замыкания на землюу на фиг.2 .и 3 — примеры выполнения органа сравнения фаз.

Схема для устройства дана для одного присоединения, Устройства для нанравленной защиты от замыкания на землю содержит .основной трансформатор 1 тока нулевой последовательности (ТТНП), установ ленный на защищаемом.присоединении

2 и вспомогательный трансфарматср

3 тока (TT) установленный в цепи искусственно сформированного источника

4 емкастнага тока (ИСИЕТ); орган 5 сравнения фаз (ОСФ), входы которого через амплитудные ограничители 6 и 7 подклЮчены к вторичным обмоткам трансформаторов 1 и 3, а выход соединен с инвертирующнм входом интегратора 8 с ключам 9; элемент 11A_#_8TI 10„ выполненный на RS-триггере, Н -вход которого через кампаратар 11 подсоединен к выходу интегратора 8, à R —вход через элемент НЕ 12 - к выходу . пускового органа (ПО) 13, подключенному к трансформатору напряжения нулевой последовательности (не показан); элемент ИЛИ 14, один вход которого подключен к выходу элемента

ПАМЯТЬ 10, а другие входы — к выходам элементов ПАМЯТЬ астальиых присоеди-. нений (не показаны), выход элемента

ИЛИ 14 подключен к управляющему входу ключа 9 и к управляющим входам ключей интеграторов других присоединений; источник опорного напряжения (ИОН) 15у ИО 1б, связанный через элемент 17 совпадения с выходами элементов 10 и 13.

ОСФ 5 по Т-му варианту состоит из двухполупериадного выпрямителя на диодах 18-21, управляющего транс- форматора 22, транзисторов 23 и 24 и операционного усилителя 25.

1034115

Орган сравнения фаз по II-му варианту (Фиг. 2) содержит заьыкающие ключи 26 и 27,, неинвертирующие 2831 и инвертирующие 32-34 операционные усилители, диоды 35-38, триггеры ,Шмитта 39 и 40. 5

Орган сравнения фаз по III-му варианту (фиг.3) состоит из общего на все присоединения (показано. два) сумматора 41 однополярных сигналов,включенного между минусовым выводом ис- 10 точннка питания и общей входной шиной, транзисторных преобразователей

42 и 43 напряжение-ток, вход которых через диоды 44 и 45 подключены к выходам операционных усилителей 15

46 и 47, неинвертирующие входы которых подсоединены к выходам низкоомных потенциометров амплитудного ограничителя 6 и 7, подключенных сВОими вхОдами к ОСНОвным трансфор 20 маторам 1 и 3 тока нулевой последовательности защищаемого присоединения 2 и 4, а инвертирующие входы усилителей 46 и 47 связаны с выходами транзистоРных преобразователей 42 и 43 по схеме отрицательной обратной связи; одновходовых компараторов 48 и 49 сигнала на операционном усилителе, инвертирующие входы которых подсоединены к выходу сумматора

41 и к выходам транзисторных преобразователей 42 и 43, выходы компараторов 48 и 49 через диоды 50 и 51 соединены с интегратором (на фиг. 3 не показан), В эмиттериую цепь транзисторных 35 преобразователей 42 и 43 включен регулируемый резистор с малым сопротивлением, часть напряжения с которого подается на инвертирующий вход операционного усилителя 46 (47) и 40 который охватывается Отрицательной обратной связью. Глубина этой связи и значение общего коэффициента передачи по току зависят от отношения величины сопротивления регулируемой 45 части резистора к его общей величине сопротивления.

Устройство работает следующим образом.

При ОтсутствHH B c®TH д офазного 50 замыкания на землю ПО 13 и ИО 16 находятся в исходном состоянии. Ключ 9 разомкнут. ИОН 15 включен.

При возникновении однофазного замыкания на землю, например, на присоединении 2, на выходах ТТНП 1 и TT 3 появляются сигналы, совпадающие по фазе (при правилъно выбранной полярности вторичных обмоток ТТНП 1 .и TT 3). 8 зависимости от мгновенных направлений выходных сигналов ампли- 60 тудных преобразователей 6 и 7 попеременно (в каждый из полупериодов) открываются и закрываются транзисто ры 23, 24 и диоды 19, 20, 18 и 21.

9 результате этого выходной сигнал амплитудного преобразователя 6 выпрямляется и поступает на вход порогового усилителя 25. Если величина этого сигнала окажется болъше заданного уровня (порога) срабатывания усилителя, на его выходе появляется сглаженный сигнал, который поступает на вход интегратора 8, напряжение на выходе которого изменяется по ли нейному закону. IIpH достижении этим напряжением величины напряжения срабатывания ком аратора 11 последний приходит в действие и переключает триггер 10 в единичное состояние.

При условии срабатывания IIO 13 на выходе элемента 17 совпадения появляется сигнал и происходит срабатывание исполнительиого органа 16,действующего на отключение выключателя защищаемого присоединения 2 °

При внешнем по отношению к присоединению 2 замыкании на землю первичные токи замыкания на землю через трансформаторы 1 и 3 тока по Фазе будут противоположны, и сигнал на . выходе выпрямительного мостика на диодах 18-21 не появится, если сдвиг по фазе между ними будет равен или близок к нулю.

Если этот сдвиг не будет равен нулю, то на выходе мостика могут появляться импульсы, амплитуда и длительность которых зависят от величины фазового сдвига. Эти импульсы могут пройти. на выход усилителя 25 при условии, если будут иметь амплитуду, превышающую уровень напряжения срабатывания усилителя. Такое возможно, например, в начальный переходный период однофаэного замыкания на землю, характеризующийся появлеиием бросков емкостного тока на поврежденном присоединении и неповрежденных. Амплитуды этих бросков могут в 30-40 раз превышать установившиеся значения. Однако, несмотря на появление сигнала на выходе усилителя 25, ложного срабатывания устройства не происходит, так как, во«первых, сигнал на выходе интегратора 8 имеет линейную характеристику, во-вторых, для срабатывания компаратора 11 необходимо, чтобы выходное напряжение интегратора 8 достигло значения порога срабатывания. Поэтому даже при максимально неблагоприятном сдвиге фаз сигналов (c точки зрения величины амплитуды управляемого сигнала и его длительности) первым срабатывает устройство для защиты, установленное на поврежденном присоединении, поскольку амплитуда и длительность входных сигналов, действующих в канале эащиты поврежденного присоединения, являются, как правило, иаиболъшими по сравнению с амплитудой и длительностью сигнала в канале устройства для защиты, устансй 1034115 в ленного на неповрежденном присоеди- режденное присоединение по величине всегда равен сумме токов неповрежденнении.

П абатывании защиты поврежри ср ных присоединений и искусственно денного присоединения через элемент сформированного источника емкост ного

ИЛИ 14 подается сигнал на управляющий тока, вход ключа 9, В результате этого на- 5 Орган сравнения фаз срабатывает пряжения на выходах интеграторов при равенстве по абсолютной величине становятся равными нуюво. Работа, за-. выходных сигналов сумматора 41 и щиты блокируется . 1олько йослЕ исчез- преобразователя 42 (43) . новения сигнала напряжения нулевой Так как при замыкании на защищаепоследов атель вательности триггер 10 перек- !О мом присоединении эти сигналы всегда .,лючается в нулевое состояние и уст- равны между собой, орган сравнения ройство готово к н и г ово к новой работе. фаэ работает правильно как в переходОрган сравнения ения фаз цо II-му ва- ном, так и s установившемся режимах рианту работает следующим образом. сднофаэного замыкания на землю.

)5 При внешнем замыкании на землю

При возникновении в сети однофаз- в выходной цепи сумматора 41 протекает ного замыкания на землю, например ток, равный сумме токов (отрицательна присоединении 2, на выходах потея- ных полуволн) всех присоединений. B циометров амплитудных ограничителей этом случае выходной сигнал суммато7 (фиг.2) появляются сигналы, — Pano модулю больше выходного сигна-" и

Р 20 пропорциональные токам нулевой пос- ла любого преобразователя 42 (43) и ледовательности. При их совпадении орган сравнения фаз в действие не по фазе попеременио открываются ключи приходит.

26 и 27 и на выходе усилителя 34 Прн наличии искусственно сформиет я сигнал по модулю равный

25 рованного источника емкостного тока разности выходного с и ы одного сигнала амплитуд- органсравнения фаз работает правильного ограничителя 6 и доли напряже- но и в том случае, когда в сети имения ИОН 15. ется всего лишь два присоединения, В случае несовпадения сигналов,так как при отсутствии источника onпо фазе ключи. и ф ключи 26 и 27 не открывают- Ределить направление поврежденного

0 у твует сигнал на выходе 3 присоединения затруднительно (пракся и отсутствует сиги силителя 34. Сигнал на выходе дан- тически невозможно) в силу равенстного усилителя отсутствует и в том ва величии токов через поврежденное случае, когда велич а величина выходных сиг- н неповрежденное присоединение. . налов ограничителе ничителей 6 и 7 ниже за- - Введение в устройство для защиты данного значения по г ния (порога срабатыва- 35 от однофазного замыкания на землю ния усилителей 28- ). ей 28-31). интегратора, компаратора, элементов

Орган сравнения аз по нения фаз по III-му ва- ПАИЯТЬ и ИЛИ, а также пускового оргарианту работает следующим о б а т следующим образом. на позволяет обеспечить высокую точ«

При возникновении в сети замык— ии в сети замыка- ность и селективность работы защиты ния на землю, например на присоеди- 40 как s установившемся, так и переходнекии 2, на выходах ограничителе

2, ограничителей ном Режимах однофазного замыкания

6 и 7 (низкоомных потенциометров)

Выполнение органа сравнения фаэ появляются сигналы, пропорциональные токам нулевой последовательности, на двухполупериодном управляемом которые подаются на неинВертируЮщие 45 выпрямителе (по I at II-му вариантам) входы усилителей и входы у и 46 47 и соответст- позволяет снизить вторичную нагрузку трансформаторов тока нулевой послевенно на входы преобразователей 42 довательности до минимума и обеспеи 43. Через сумматор (резистор) 41 циональный чить их работу в режиме наименьшей .начинает течь ток, пропорциональны угловой погрешности, а значит и по42 43 Поскольку высить точность работы устройства на авление фаза) токов на неповреж- для защиты в целом. нных п исоединениях всегда протиположно (а) направлению тока на на операционных усилителях и транвоположно (а) р зисторах дает воэможность при малых енном п исоединении и поскольна входы преобразователей 42 и 43 входи о ных сигналах трансформаторов току на вход р Р о т поступать лишь однополярные ка нулевой последовательности выполмогут посту налы то в выходной цепи сумматора нить устройство для защиты более чувствительным и, кроме того, повы4l в оди о ин из полупериодов будет прощает технологичность его изготовлетекать пре р п еоб аэованный ток повреж60 ния. При этом выполнение органа сравденного пр д п исоединения 2, в другой нения фаз по III-му варианту требует полупериод - у ио - сумма токов нулевой понаименьшего количества операционных следовательности всех неповрежденных присоединений, причем ток через пов- усилителей.

Г

1 !

I !

1 !

Уиг. 1

>oscars

Рис. 7

Составитель Л. Васькова

Редактор С. Юско Техред И.Метелева Корректор А. Повх

Заказ 5637/55 Тираа 617 Подлисное

ВНИИПИ Государственного коюунтета СССР по делам изобретений и открмтий.

113035, Москва, Ж-35, Рауазская наб., д. 4/5 филиал ППП . Патент, г. Узиород, ул. Проектная, 4