Устройство для защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

А3 (дд 4 Н 02 Н 3/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21 ) 3691539/24-07 (22) 19.01.84 (46) 30.11,87. Бюл. ¹ 44 (71) Челябинский политехнический институт им. Ленинского комсомола (72) О. А. Петров, В. 3. Арендт и А. И. Сидоров (53) 621 ° 316.925(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 815835, кл. Н 02 Н 3/16. 1981„

Авторское свидетельство СССР № 964838, кл. Н 02 Н 3/1 б, 1982, Авторское свидетельство СССР № 1171896, кл. Н 02 Н 3/16, 1983. (54.)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ

ОТ ОДНОФАЗНОГО ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛ10 В

ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащее последовательно соединенные подключенный к трансформатору напряжения нулевой последовательности сети фазосдвигаюший блок, первый формирователь прямоугольных импульсов, первый блок времени, первый логический элемент И, интегрирующий усилитель, релейный усилитель и исполнительный орган, последовательно соединенные подключенный к трансформатору напряжения нулевой последовательности сети первь,й пороговый орган и блок выдержки времени, выход которого соединен с вторым входом первого логического элемента И,,последовательна соединенные фильтр, подключенный к трансформатору тока нулевой последовательности, фильтр основной частоты, второй формирователь прямоугольных импульсов, B÷арай блок времени, выход которого соединен с третьим входом первого логического элемента И, последовательно соединенные подключенный к выходу фильтра

„„SU„„1356099 основной частоты первый усилитель, второй пороговый орган и преобразователь импульсов в напряжение постоянного уровня, выход которого соединен с четвертым входом первого логического элемента И, замыкающий ключ, включенный параллельно интегрирующему усилителю, третий блок времени, первый вход которого подключен к выходу первого логического элемента И, а выход — к управляющему входу замыкающего ключа, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения помехоустойчивости и селективности действия путем блокирования работы устройства при колебаниях напряжения нулевой последовательности сети и высокочастотных колебаниях в каналах напряжения или тока, в нега введены последовательно соединенные подключенный к выходу первого формирователя прямоугольных импульсов первый фильтр постоянной составляющей, первый счетчик импульсов и второй логический элемент И, выход которого соединен са счетным входом первого счетчика импульсов, последовательно соединенные подключенный к выходу второго формирователя прямоугольных импульсов второй фильтр постоянной составляющей, второй счетчик импульсов и третий логический элемент И, выход которого соединен со счетным входом второго счетчика импульсов, последовательно соединенные подключенный к трансформатору напряжения нулевой последовательности сети преобразователь переменнога напряжения в постоянное, второй усилитель и двухуровневый компаратар сигналов, выход которого соединен с пятым вха135 дом первого логического элемента И, элемент задержки, причем второй выход первого блока времени соединен с вторым входом второго логического элемента И, выход первого счетчика импульсов соединен с шестым входом первого логического элемента И, второй выход второго блока времени соединен с вторым входом третьего логического элемента И, выход второго счетчика импульсов соединен с седьмым входом первого логического элемента

И, третий выход первого блока времени соединен с вторым входом третьего блока времени, элемент задержки включен между выходом преобразователя переменного напряжения в постоянное и вторым входом двухуровневого компаратора сигналов.

2. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что первый блок времени содержит последовательно соединенные подключенный к входу этого блока формирователь коротких импульсов, счетчик импульсов и логический элемент И, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, генератор импульсов, вход которого соединен с входом первого блока времени, первый выход - с вторым входом логического элемента И, второй выход - с третьим выходом пер6099 вого блока времени, первый выход первого блока времени соединен с выходом счетчика импульсов, а второй выход— с выходом формирователя коротких импульсов.

3. Устройство по п. 1, о т л.и— ч а ю щ е е с я тем, что второй блок времени содержит последовательно соединенные подключенный к входу этого блока формирователь коротких импульсов, счетчик импульсов и логический элемент И, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, генератор импульсов, включенный между входом второго блока времени и вторым входом логического элемента

И, первый выход второго блока времени соединен с выходом счетчика импульсов, а второй выход - с выходом формирова-.зля коро ки> . =и - - .ьсов.

4. Устройство по п. 1, о т л ич а ю щ е е с я тем, что третий блок времени содерж т последовательно соединенные подключенный к первому входу этого блока счетчик импульсов и логический элемент И, выход которого соединен со счетным входом счетчика импульсов, а второй вход логического элемента И вЂ” с вторым входом третьего блока времени, второй выход счетчика импульсов соединен с выходом третьего блока времени.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к защите электрических сетей,и предназначено для работы в электрических сетях с изоли- рованной или компенсированной нейтралью.

Цель изобретения — повышение помехоустойчивости и селективности действия защиты путем блокировки работы устройства при колебаниях напряжения нулевой последовательности сети и высокочастотных колебаниях в каналах напряжения или тока.

На фиг. 1 представлена функциональ-15 ная схема предлагаемого устройства защиты; на фиг. 2 - 4 - функциональные схемы первого, второго и третьего блоков времени соответственно; на

2 фиг. 5 и б - диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства защиты.

К трансформатору 1 напряжения нулевой последовательности сети подключены последовательно соединенные фазосдвигающий блок 2, первый формирователь 3 прямоугольных импульсов, первый блок 4 времени, первый логический элемент И 5, интегрирующий усилитель.

6, релейный усилитель 7 и исполнительный орган 8. K трансформатору 1 напряжения подключены также последовательно соединенные первый пороговый орган 9, блок 1 0 выдержки времени, выход которого подключен к второму входу первого логического элемента

И 5. К трансформатору 11 тока нулевой последовательности подключены после1356099

4 входу блока формирователь 30 коротких импульсов, счетчик 31 импульсов и логический элемент И 32, выход которого соединен со счетным входом счетчика

31 импульсов. Между входом блока 4 и вторым входом логического элемента

И 32 включен генератор 33 импульсов.

Счетчик 31 импульсов соединен с выходом блока 4, а формирователь 30 коротких импульсов — с вторым выходом этого блока, второй выход генератора

33 импульсов подключен к третьему выходу блока 4.

Второй блок 14 времени содержит формирователь 34 коротких импульсов, счетчик 35 импульсов, логический элемент И 36 и генератор 37 импульсов.

Он выполнен аналогично блоку 4 времени за исключением связи второй выход генератора 37 импульсов - третий выход блока 14, которая отсутствует.

Третий блок 29 времени содержит последовательно соединенные подключенный к входу блока счетчика 38 импульсов и логический элемент И 39, второй вход которого подключен к второму входу блока 29, а выход - к счетному входу счетчика 38 импульсов, второй выход которого соединен с выходом блока 29.

У всех счетчиков импульсов с логическими элементами И соединены инверсные выходы. Счетчики импульсов 16 и

}9 сбрасываются в исходное состояние нулевыми сигналами, а счетчики импульсов блоков времени - единичными.

Первый и второй блоки времени предназначены для формирования прямоугольных сигналов заданной длительности. На выходе первого блока времени, находящегося в канале напряжения, длительность прямоугольного импульса — 7,6-10 мс, а на выходе второго блока времени, находящегося в канале тока, длительность прямоугольного импульса ".г = 0,5-1,5 мс. довательно соединенные фильтр 12 основной частоты, второй формирователь

13 прямоугольных импульсов, второй блок 14 времени, выход которого соединен с третьим входом первого логического элемента И 5.

К выходу первого формирователя 3 прямоугольных импульсов подключены последовательно соединенные первый фильтр 15 постоянной составляющей, первый счетчик 16 импульсов и второй логический элемент И 17 второй вход которого соединен с вторым выходом первого блока 4 времени, а выход— со счетным входом первого счетчика

16 импульсов. Выход последнего подключен к шестому входу первого логического элемента И 5.

К выходу второго формирователя 13 прямоугольных импульсов подключены последовательно соединенные второй фильтр 18 постоянной составляющей, второй счетчик 19 импульсов и третий логический элемент И 20, второй вход которого подключен к второму выходу второго блока 14 времени, а выход— к счетному входу второго счетчика

19 импульсов. Выход последнего соединен с седьмым входом первого логичес- 0 кого элемента И 5 ° К выходу фильтра

12 основной частоты подключены последовательно соединенные первый усилитель 21, второй пороговый орган 22 и преобразователь 23 импульсов в напря35 жение постоянного уровня, выход которого подключен к четвертому входу логического элемента И 5.

К трансформатору 1 напряжения нулевой последовательности сети подключены последовательно соединенные преобразователь 24 переменного напряжения в постоянное, второй усилитель

25, двухуровневый компаратор 26 сигналов, выход которого подключен к пя-45 тому входу первого логического элемен. та И 5. Между выходом преобразователя

24 и вторым входом компаратора 26 включен элемент 27 задержки.

Параллельно интегрируюшему yew!и 50 телю 6 подключен замыкающий ключ 28.

К выходу первого логического элемента И 5 подключен третий блок 29 времени, второй вход которого соединен с третьим выходом первого блока 4 времени, а выход — с управляющим входом ключа 28.

Первый блок 4 содержит последовательно соединенные подк.1н>ленный к

Фазосдвигающий блок позволяет устанавливать импульс . внутри имт пульса c,(ïðè настройке дугогасящего реактора в резонанс с сетью) так, что прп расстройках компенсации импульс ". не выходит за пределы импульса "., спрн замыкании на землю в зоне действия защиты).

Первый фильтр постоянной составляющей, счетчик импульсов и второй логический элемент И в канале напряжения,и соответствующие им элементы в (1356099

5 канале тока) предназначены для блокировки (запрета действия) устройства защиты при появлении помех на выходе формирователей прямоугольных импульсов.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное, второй усилитель, элемент задержки и двухуровневый компаратор обеспечивают работу устройства защиты только в режиме устойчивого однофазного замыкания на землю, а при любых изменениях, превышающих отстройку от колебаний напряжения нулевой последовательно сети, устройство защиты блокируется. Элемент задержки может быть выполнен на операциснном усилителе, в обратную связь которого включен конденсатор, обеспечивающий задержку изменения выходного сигнала по отношению к входному. Двухуровневый компаратор сигналов может быть выполнен на микросхеме

К421СА1 с инвертором (микросхема К 155 ллз).

Интегрирующий усилитель с ключом в обратной связи, управляемым третьим блоком времени, обеспечивает повьппение помехоустойчивости и селективности действия устройства защиты.

Первый усилитель, второй пороговый орган и преобразователь импульсов в напряжение постоянного уровня предназначены для блокировки устройства з ащиты при малых собственных емкостных токах защищаемых присоединений (при замыкании на землю вне эоны действия защиты) °

Второй пороговый орган имеет уставки (положительного и отрицательного напряжений) и преобразует переменное напряжение в импульсы.

3 нормальном режиме работы сети напряжение U и ток Io нулевой последовательности близки к нулю. На выходах преобразователя 24 переменного напряжения в постоянное, блока 10 .выдержки времени, формирователей 30 и

34 коротких импульсов первого и второго блоков времени, преобразователя

23 импульсов в напряжение постоянного уровня, первого логического элемента И 5, интегрирующего 6 и релейного 7 усилителей нулевые сигналы.

На выходах компаратора 26 сигналов, первого 16 и второго 19 счетчиков импульсов, третьего блока 29 времени сигналы равны "1" ° Ключ 28 замкнут, а исполнительный орган 8 нахо6 дится в исходном состоянии. При включении устройства защиты на установочном входе счетчика 31 (35) импульсов сигнал равен "0", а на выходе - "1", 5 которая разрешает прохождение счетных импульсов от генератора 33 (37) через логический элемент И 32 (36) на счетный вход счетчика 31 (35) импульсов, Просчитав К импульсов, счетчик

31 (35) импульсов на выходе выдают сигнал, равный "0", который запреща,ет работу логического элемента И 32 (36). Таким образом, в нормальном режиме работы сети на выходах счетчиков

31 и 35 импульсов и на выходах блоков

4 и 14 времени сигналы равны "0".

При однофазном замыкании на землю напряжение нулевой последовательности

П резко возрастает. Пороговый орган

20 9 при этом срабатывает и блок 10 выдержки времени с выдержкой времени дает разрешение ("1") на первый логический элемент И 5. Благодаря блокам, !

9 и 10 обеспечивается отстройка от переходных процессов. Сигнал на выходе компаратора 26 равен "1" при условии, что амплитудное значение напряжения нулевой последовательности U постоянно во времени, в этом случае сигнал U g5 = У (фиг. 1).

При изменении амплитудного значения напряжения сигнал отстает от сигнала

U на время Л7., определяемое параметрами элемента 27 задержки. Так, при увеличении (уменьшении) напряжения Uy cI:Ãíéë U 7 5 больше чем U 27 "

), и как только разность

25 17 между этими сигналами станет больше

U„,,на выходе компаратора 26 сигналов появится сигнал, равный "0", который запретит работу первого логического элемента И 5.

Таким образом, при возникновении однофазного замыкания на землю или при отключении его, а также при любом изменении, превышающем отстройку от колебаний амплитудного значения напряжения нулевой последовательности

U на выходе компаратора 26 сигнал равен "0", т.е. запрещается работа первого логического элемента И 5, а тем самым и устройства защиты.

Благодаря этому существенно повьппается помехоустойчивость устройства защиты и его селективность.

При однофазном замыкании на землю первый 30 (второй 34) формирователь коротких импульсов формирует корот1356099 кий импульс на каждый положительный полупериод входного сигнала..На каждый короткий импульс счетчик 31 (35) импульсов сбрасывается, на его выходе появляется сигнал "1", который разрешает прохождение счетных импульсов от генератора 33 (37) импульсов через логический элемент

И 32 (36) на счетный вход счетчика импульсов. Просчитав К импульсов, 10 счетчик на выходе выдает "0", который блокирует работу логического элемента И 32 (35), и так далее (фиг. 5). При возникновении помех в канале напряжения (тока) на выходе 15 формирователя 30 (34) коротких импульсов появляется серия коротких импульсов в течение одного полупериода промышленной частоты. Эти импульсы поступают через второй 17 (третий 20

20) логический элемент И на счетный вход первого 16 (второго 19) счетчика импульсов, который, просчитав два импульса, изменяет свой выходной сигнал с "1" на "0" и запрещает работу 25 второго 27 (третьего 20) и первого 5 логических элементов И.

На фиг. 5 представлена диаграмма, поясняющая работу устройства защиты при однофазном замыкании на землю в 30 зоне защиты, а часть Б диаграммы поясняет работу устройства при наличии помех в канале тока, При собственном емкостном токе защищаемого присоединения, меньшем тока минимальной чув- 35 ствительности I „,, сигнал на выходе преобразователя 23 импульсов в напряжение постоянного уровня равен "0", т.е. запрещается работа первого логического элемента И 5. При больших 40 токах на выходе блока 23 сигнал равен "1", т.е. работа первого логического элемента И 5 разрешается. Введение блоков 21-23 позволяет повысить помехоустойчивость и селективность 45 действия устройства защиты.

Пусть замыкание произошло вне зоны защиты (например, на другой подстанции), тогда собственный емкостный ток линии Т, будет сдвинут при- 50 мерно на 90 эл.град. по отношению к напряжению нулевой последовательности U . Импульс 1 „„, поступаюший с выо хода второго блока 14 времени на третий вход первого логического элемента И 5, находится вне импульса поступающего с выхода первого блока

4 времени на первый вход первого логического элемента И 5. На выходе первого логического элемента И 5 сигнал равен "0", и исполнительный орган находится в исходном состоянии.

При замыкании на землю на защищаемом присоединении остаточный ток I о при резонансной настройке системы компенсации сдвинут примерно на

180 эл.град. по отношению к напряжению нулевой последовательности U . В этом случае импульс находится внутри импульса U,,длительность которых соответственно равна и, . При расстройке компенсации импульс с перемещается внутри импульса 2 вправо1 при перекомпенсации и влево — при недокомпенсации. Угол, на который сдвигается импульс от своего первоначального положения, зависит от степени расстройки компенсации. На выходе первого логического элемента И 5 появляются прямоугольные импульсы длительностью Г . Первый импульс, поступающий с выхода первого логического элемента И 5 на установочный вход счетчика 38 импульсов третьего блока 29 времени, сбрасывает счетчик

38 импульсов, выходные сигналы последнего изменяются на противоположные. Ключ 28 размыкается и разрешает работу интегрирующего усилителя 6.

Проинтегрировав несколько импульсов, последний изменяет выходной сигнал с нуля на какой-то превышающий порог, и через релейный усилитель 7 подает сигнал на исполнительный орган 8, который отключает поврежденное присоединение. При отключении однофазного замыкания на землю на выходе первого логического элемента И 5 сигнал станет равным нулю, который разреша-. ет работу счетчика 38 импульсов. Последний, подсчитав К импульсов, поступающих с второго выхода гЕнератора 33 импульсов через логический элемент И 39 на счетный вход счетчика

38 импульсов, изменяет свои выходные сигналы на противоположные. Таким образом, на прямом выходе счетчика сигнал станет равным "1", которая замкнет ключ 28, заблокировав работу интегрирующего усилителя 6, а на инверсном — "0" который заблокирует работу логического элемента И 39.

Предлагаемое устройство позволяет увеличить надежность работы защиты и сократить простои оборудования.

1356099

Фиг,2

Риг. 3

1356099

vga йй EEmRR

vga

Составитель Л. Васькова

Редактор М, Андрушенко Техред Л.СердюковаКорректор И, Муска

Заказ 5803/48

Тираж 618 Подписное

В1ИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, К-35,, Раушская наб,, д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4