Система электроснабжения с токоограничением

 

Изобретение относится к области электротехники. Цель изобретения - повьшение быстродействия тока короткого замыкания. Система содержит понизительный тр-р 1 с двумя расщепленными обмотками, датчики 2,3 тока, датчики 4,5 напряжения первого и второго токопроводов, тиристорные коммутаторы 6,9,,токоограничивающие сопротивления 7,10. Органы управления 8 и 11 определяют углы между токами и напряжениями , измеренными соответствуквдими датчиками . В нормальном режиме эти углы не превышают заданных. При КЗ например , в точке К фаза тока изменяется на обратнуЮ|Угол между током, и напряжением превышает заданный и орган управления 8 вырабатывает сигнал на включение тиристорного коммутатора 6. Ток КЗ ответвляется в токоограничиваю щее сопротивление 7. Быстродействие повышается в результате постоянного отслеживания угла сдвига фаз. 3 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (51) 4 Н 02 J 3/00 - Н 02 Н 9/02

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ (54) СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С ТОКООГРАНИЧЕНИЕМ (57) Изобретение относится к области электротехники. Цель изобретения — повышение быстродействия тока короткого замыкания. Система содержит понизиГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4170428/24-07 (22) 30.12.86 (46) 15.07.88. Бюл. N 26 (71) Краснодарский политехнический институт (72) Б.А.Коробейников, Н.В.Куликов, А.И.Ищенко Е.А.Беседин и А.M.Ñìàãëèåâ (53) 621.316.925: 621.316. 1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР и 655019, кл. Н 02 J 3/00, 1978.

Авторское свидетельство СССР В 862310, кл. Н 02 J 3/00, 1980.

„„SU„„1410182 А 1 тельный тр-р 1 с двумя расщепленными обмотками, датчики 2,3 тока, датчики

4,5 напряжения первого и второго токопроводов, тиристорные коммутаторы

6,9,, токоограничивающие сопротивления

7,10. Органы управления 8 и 11 определяют углы между токами и напряжениями, измеренными соответствующими датчиками. В нормальном режиме эти углы не превьппают заданных. При КЗ например, в точке К фаза тока изменяется на обратную, угол между током и напряжением превышает заданный и орган.управления 8 вырабатывает сигнал на включение тиристорного коммутатора 6.

Ток КЗ ответвляется в токоограничиваю щ

° И щее сопротивление 7. Быстродействие повьппается в результате постоянного отслеживания угла сдвига фаз. 3 ил.. С

i410182

Изобретение относится к электро4 ехнике и может быть использовано дпя граничения тока короткого замыкания (K3) в системах электроснабжения про— ь ьпппенных предприятий. !

Целью изобретения является повышее быстродействия ограничения тока ороткого замыкания.

На фиг. 1 изображена схема системы 10 э ектроснабжения с токоограниченнем; а фиг. 2 — структурная схема органа равления тиристорного коммутатора, а фиг. 3 представлены зависимости и вменения сигналов напряжения и тока . нормальном и аварийном. режимах з щищаемой сети, Система содержит понизительнь1й т ансформатор 1 с двумя расщепленными о мотками, датчик 2 тока первого то- 20 копровода, датчик 3 тока второго токопровода, датчик 4 напряжения первоrto токопровода, датчик 5 напряжения второго токопровода, тиристорный комтатор 6, заземленное токоограничи- 25, ющее сопротивление 7 и орган 8 упавления первого токопровода, тирисорный коммутатор 9, заземленное тооограничивающее сопротивление 10 орган 11 управления второго токо- 30 ровода, выключатели 12-15 потребитеей, потребители 16-19. Орган 8 упавления идентичен органу 11 управения. Орган 8 содержит формирователь

0 угла тока, подключенный на выход атчика 3 тока, формирователь 21 уга напряжения, подключенный к выходу атчика 4 напряжения, блок 22 логики и сумматор,23, на выходе которого включен пороговый элемент 24. Форми- g0 р ователь угла тока содержит первый ифференцирующий блок 25 и блок 26 д войного дифференцирования, входы ко( т орых объединены в общий вход формирователя 20 угла тока, выход первого дифференцирующего блока 25 через первый пропорциональный блок 27 и перь ый блок 28 стробирования связан с первым входом первого блока 29 деле« ия, а выход блока 26 двойного дифференцирования через второй пропорциональный блок 30 и второй блок 31 с(тробирования связан с вторым входом

«1ервого блока 29 деления. Выход пер =«вого блока 29 деления соединен с пер"5

«дым блоком 32 аппроксимации арктангенcia, который связан через инвертор 33 о cóèìàòîðîì 23. При этом выход инМертора попкпючен к rrc рвому входу сумматора и является одновр еменно выходом формирователя угла тока. Формирователь 21 угла напряжения содержит третий блок 34 стробирования и второй дифференцирующии блок 35, входы которых объединены в общий ахоп формирователя 21 угла напряжения, причем выход второго дифференцирующего блока одновременно является первым выходом формирователя угла напряжения. и через третий пропорциональный блок 36 и четвертый блок 37 стробирования связан с первым входом второго блока 38 деления, выход которого присоединен к входу второго блока 39 аппроксимации арктангенса. Выход третьего блока

34 стробирования связан с вторым входом второго блока 38 деления, а выход второго блока 39 аппроксимации арктангенса связан с вторым входом сумматора 23 и является вторым выходом формирователя 21 угла напряжения.

Блок 22 логики содержит блок 40 несовпадения знаков сигналов тока и напряжения, первый вход которого связан с выходом датчика 4 напряжения, блок

4 1 несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной и блок 42 совпадения знаков напряжения и его производной, первый вход каждого из которых связан с выходом датчика напряжения, а второй вход — с первым выходом формирователя 21 угла напря>кения, причем первый выход блока

40 подключен на первый вход первой. логической схемы И 43, второй вход которой связан с выходом блока 41.

Второй выход блока 40 подключен на первый вход второй логической схемы

И 44 второй вход которой соединен с выходом блока 42. Последовательно со схемой 44 включен блок 45 отрицательного смещения, выход которого подключен на третий вход сумматора 23. Последовательно со схемой 43 включен блок блок 46 положительного смещения, выход которого присоединен к четвертому входу сумматора 23. Выход блоха 45 образует первый выход блока 22 логики, а выход блока 46 — второй выход блока 22 логики. Датчик 4 напряжения содержит трансформатор напряжения, выход которого связан с контуром памяти, Устройство работает следующим образом.

С выхода датчика 3 тока второго токопровода снимается сигнал контро1410182 лируемого тока i(t), который поступа— ет на первый вход органа 8 управления тиристорного коммутатора 6 первого токопровода и затем разветвляется в блок 22 логики и в формирователь 20 угла тока. На входе формирователя 20 угла тока сигнал i(t) разветвляется в первый дифференцирующий блок 25 и в блок 26 двойного дифференцирования.10

С выхода блока 25 сигнал i(t)p поступает на вход второго пропорционального блока 30,гдеумножается в К раз (р дифференциальный оператор, К3 = 1/ы, у — угловая частота сети, ю= 27tf 15

f — частота сети). С выхода блока

30 сигнал K>i(t)p поступает на вход второго блока 3 1 стробирования, где стробируется в заданный момент времени t ; (i = 1,2,...,8). С выхода бло-20 ка 3 1 сигнал K>i(t ; )p поступает на второй вход первого блока 29 деления.

Сигнал, снимаемый с выхода блока 26, поступает на вход первого пропорционального блока 27, где умножается в

К4 раз (К = 1/И2). Затем сигнал

Kyi(t)p стробируется в первом. блоке

28 стробирования в момент времени t ;, после чего сигнал К i(t ;)p. Сигнал, полученный в результате деления указанных сигналов, с выхода блока 29 постуйает на вход первого блока 32 аппроксимации арктангенса, на выходе которого получается сигнал д(со1П ответствующий углу между значением сигнала тока в момент времени стробирования и ближайшим максимумом сигнала тока, имеющим тот же знак, что и 40 стробируемый сигнал . Сигнал д Ц;„ поступает через инвертор 33 на вход сумматора 23. Сигнал напряжения П(), снимаемый с выхода датчика 4 напряжений первого токопровода, разветвля- 45 ется в блок 40 несовпадения знаков

Ь сигналов тока и напряжения, блок 41 .несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной, блок 42 совпадения знаков .сигналов напряжения и 50

его производной и .формирователь 21 угла напряжения, Выход датчика 4 напряжения является вторым входом органа 8 управления. Сигнал U(t) на входе формирователя 21 угла напряжения раз- 55 ветвляется в третий блок 34 стробирования и во второй дифференцирующий блок 25. С выхода блока 34 сигнал

U(t ;) поступает на второй вход второго блока 38 деления. Сигнал U(t)p9 снимаемый с выхода блока 35, поступает в третий пропорциональный блок

36, где изменяется в К1 раз (K<

К = 1/ы ) . Затем сигнал К

С выхода блока 37 сигнал К,U(to, )р поступает на первый вход второго блока 38 деления. В блоке 38 сигнал

К

tlffl второй вход сумматора 23. В интервал времени несовпадения знаков сигналов тока и напряжения, а также несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной первая логическая схема И 43 подает команду на включение блока 46 положительного смещения.

С выхода блока 46 .сигнал + Н, соответствующий углу величиной + И, поступает на четвертый вход сумматора

23 . В.интервал времени несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной вторая логическая схема

И 44 подает команду на включение блока 45 отрицательного смещения. С выхода блока 45 сигнал — %, соответствующий углу величиной — Р, поступает на третий вход сумматора 23, с выхода которого сигнал, соответствующий углу между током и напряжением— в нормальном режиме работы защищаемой сети и в аварийном режиме работы защищаемой сети, — поступает.на вход порогового элемента 24. При этом си г HcLlIbI Q u lf g отличны один От другого (фиг. 3) . Пороговый элемент

24 должен быть отрегулирован таким образом, чтобы срабатывать при сигнале ц и не срабатывать при сигнале

КЗ имеет место в момент временй,. При появлении сигнала Ц„ на выходе элемента 24 появляется управляющий сигнал V>, запускакщий тиристорный коммутатор 6 первого токопро-, вода, который соединяет сеть с заземленным токоограничивающИм сопротивлением 7 первого токопровода. Процессы, протекающие в сети, иллюстрируются графиком фиг. 3, где 4 7 — график зависимости тока в нормальном (до момента времени t ) и аварийном (с

5 момента времени t ),режимах, 48 график .зависимости напряжения от угла,, 49 — график ап ери одич ес кой слагающей тока короткого замыкания, 50 — график периодической слагающей тока короткого замыкания. Здесь принято,, что в аварийном режиме работы защищаемой сети, вызванном коротким замыканием в точке К (на вводе потребителя первого токопровода), ток изменяет угол

I на величину н, то есть находится с. током нормального режима в противофазе. Орган 11 управления тиристорного коммутатора второго токопровода в 2п нормальном режиме работы и при коротком замыкании вблизи потребителей второго токопровода функционирует аналогично органу 8 управления тирис, . торного коммутатора первого токопро- 25 вода в указанных режимах — нормальном и при коротком замыкании вблизи потребителей первого токопровода. Орган 8 управления конструктивно полностью соответствует органу 11 управ- З0 ления. Таким образом, устройство реагирует на ток аварийного режима при коротких замыканиях у потребителей по величине сдвига фаэ между током и напряжением, прогнозируя данный

| сдвиг фаз, и позволяет существенно повысить надежность работы защищаемой сети.

Процесс контроля сдвига фаз между током и напряжением математически спи-4,1 сывается следующим образом.

182

6 . i(t) v — = -I sin(u)t — Ц) () Ф

9 (3) i(t) -I cos(сд t- g) у М (4) -Х sin ((g) t — g) (5)

i(t )и (,Д М

О1

U(t,.) = U si (t«) (6)

Через интервал времени g t после момента стробирования уравнения (5) и (6) примут вид: эха(И (t + 1t) - g ) (7) д(t О,+да)л о) В (8) U(t » +at) = U s in(g(t» + at))

Преобразуем уравнения (7) и (8) следующим образом:

1(t ttl+dt) о — — — — -I csin(ut -lf) osMttt+

+ со s (,> t ; — g) s in t ); (9) Б(С,,;+ДС) = U>(sinult costdbt+

+соэ ц °, s inde tf (10) Знак приближенного равенства в уравнениях. (3) и (4) говорит о том, что компонентами 1/МТ и f/ы Т „пренебрегли.

Запишем уравнения (2) и (3) для произвольно выбранного момента времени t; (момента стробирования) в виде (2) U(t) = U inu) t где I> — амплитуда тока, 50

t — время, р — угол сдвига между током и напряжением (сдвиг фаз), Т вЂ” постоянная времени КЗ сети.

В нормальном режиме работы состав- ляющая I е " » равна нулю.

Продифференцировав уравнение (1) один и два раза, получим:

Пусть ток и напряжение токопровода описываются соотношениями

i(t) I jos(- )+т е тк (1) Продиффер енцируем уравнение (7) по времени: ц(с) 2 — — U совой ю..(») Запишем уравнения (4) и (11) при

01

i(t tt, )o — -I cos(v t — .) (12) U(t )в — — — = U соэсд t (д tA

Подставим уравнения (6) и (1 2) в уравнения (7) и (8):

1410182 (13) 5

+ sinu>а t

U(to )

М (14) 10

Для определения интервала времени g t от момента стробирования до ближайшего экстремума возьмем производные от функций (13), (14) и приравняем

15 их к. нулю, Получим:

U(t) 7 0

i(t) (0;

3Ч 0;

- ;„(0;

U(t)p o; (21) 20

Сдвиг фаз между током и напряжением в соответствии с выражением (21) имеет.вид

U (t . +b t) p -U (t z< )ц в 1пмч с „

25 () (16)

Из анализу выражений (15) и (16). следует: (22) + Ч =v(t " )

ltd 2

+ b4 =4) b t arctg — — — (17)

U(tai )n 30 ов ие AU(t„g б

+ b(l = td b t arctg — g — - -б(18)

i(t<; )т

ittt 1tyI ю Yt )р о1

Знак + в выражениях (17) и (18) указывает на изменение знака угла в различных квадратных функциях арктангенса. Выражения (1 7) и (18) описывают действие блоков 32 и 39 соответствен- но (фиг. 2).

Для иллюстрации работы предлагаемой системы в нормальном и аварийном режимах работы защищаемой сети рас-. смотрим ее действие в нормальном режиме работы и при КЗ в точке К (фиг.

1,3) .

Нормальный режим.

Интервал времени (t„ t ), момент стробирования Со,, угол в момент стробирования ц ;, = ь

Дпя данного интервала из выражений (2), (11), (17) и (18) справедливы соотношения: (23) U(t) O;

i(t) С 0;

dtput,7 0;

-bq,„< 0;

V(t)p ) 0;

55 (19) i(t . + t) v 1(о )и — — — cosset +

u) ul

U(t +dt) = U(t )cosutdt +

i(tot ) о 1

) cosutttt; 0;

Сдвиг фаз между током и напряжением в соответствии с выражением (19) llyplg (+ Ч Д,(et Ч, +Ч

Аварийный режим рассмотрим на примере интервала времени (й1, t ) в момент стробирования t ъ при угле Ц д = =ю t q в момент стробирования.

Для данного интервала из выраже-. ний (2), (11), (17) и (18) справедливы соотношения:

Из анализа выражений (20) и (22), а также фиг. 3 очевидно, что сдвиг фаэ между током и напряжением в нормальном режиме работы отличен от сдвига фаз между током и напряжением в аварийном режиме работы (при коротком замыкании), для данногоiслучая справедливо соотношение " (1 1) l 07 (tto с о ) В выражении (21) учитывается только периодическая составляющая тока .

КЗ, поскольку апериодическая составляющая компенсируется в органе управ ления.

Техническим преимуществом, предлагаемой системы по сравнению с прототипом является более высокое быстродействие, обусловленное конструкцией органа управления, позволяющего осуществлять прогнозирование сдвига фаэ между током и напряжением.

Формула и э о б р е т е н и я

Система электроснабжения с токоограничением, содержащая пониэительный трансформатор с двумя расщепленными вторичными обмотками, к которым подключены индивидуальные токопроводы и

1410182 потребители, а также два тиристорньгх коммутатора, каждый из которых имеет орган управления, связанный с датчиком тока, при этом вход тиристорного

5 коммутатора подключен к соответствующему токопроводу, а выход подключен к заземленному токоограничивающему сопротивлению, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения быстродействия ограничения тока короткого замыкания, она дополнительно содержит по одному датчику напряжения на вводе каждого токопровода, подключенному к органу управления тиристорного коммутатора своего токопровода, датчик тока одного токопровода подключен к органу управления другого токопровода, а орган управления включает формирователь угла тока, рд подключенный на выход датчика тока, формирователь угла напряжения, подключенный к выходу датчика напряжения, блок логики и сумматор, на выходе которого включен пороговый элемент 25 таким образом, что последний своим выходом связан с тиристорным коммутатором, причем формирователь угла тока содержит первый дифференцирующий блок и блок двойного дифференцирования, 30 входы которых объединены в общий вход формирователя угла тока, выход первого дифференцирующего блока через первый пропорциональный блок и первый блок стробирования связан с первым входом первого блока деления, а выход блока двойного дифференцирования через второй пропорциональный блок и второй блок стробирования связан с вторым входом первого блока де- 4О ления, при этом выход первого блока ! деления соединен с первым блоком ап-. проксимации арктангенса, которыи связан через инвертор с первым входом сумматора, а выход инвертора является одновременно выходом формирователя угла тока, при этом формирователь угла напряжения содержит третий блок стробирования и второй дифференцирующий блок, входы которых объединены в общий, вход формирователя угла напряжения, причем выход второго дифференцирующего блока одновременно является первым выходом формирователя угла напряжения и через третий пропорциональный блок и четвертый блок стробирования связан с первым входом второго блока деления, выход третьего блока стробирования связан с первым входом второго блока деления, а выход четвертого блока строби рования связан с вторым входом второго блока деления таким образом, что выход второго блока деления соединен с вторым блоком аппроксимации арктангенса, выход которого связан с вторым входом сумматора и является вторым выходом формирователя угла напряжения, при этом блок логики содержит блок несовпадения знаков сигналов тока и напряжения, первый вход которого связан с выходом датчика тока, а второй вход— с выходом датчика напряжения, блок несовпадения знаков сигналов напряженйя и его производной, первый вход каждого иэ которых связан с выходом датчика напряжения, а второй вход с первым выходом формирователя угла напряжения, причем первый выход блока несовпадения знаков сигналов тока и напряжения подключен.на первый вход первой логической схемы И, второй вход которой связан с выходом блока несовпадения знаков сигналов напряжения и его производной, второй вход блока несовпадения знаков сигналов тока и напряжения подключен на первый вход второй логической схемы И, второй вход которой соединен с выходом блока совпадения знаков сигналов напряжения и его производной таким образом, что выход второй логической схемы И через блок отрицательного смещения связан с третьим входом сумматора, а выход первой логической схемы И через блок положительного смещения связан с четвертым входом сумматора, при этом выход блока отрицательного смещения образует первый вход блока логики, а выход блока положительного смещения образуе г второй вход блока логики, причем датчик напряжения содержит трансформатор напряжения, выход которого связан с контуром памяти.

1410182 ({Ы 4ые

Составитель К.Фотина

Редактор A.Ìåêîâñêàÿ Техред Л.Сердюкова Корректор М.Васильева

Тираж 650 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Заказ 3491/53

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