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

 

Использование: относится к электротехнике, в частности к направленным устройствам релейной защиты электрических цепей, и предназначено для повышения надежности и быстродействия. Сущность изобретения: устройство, содержащее датчики тока и напряжения, выходы которых подключены к входам каналов тока и напряжения соответственно, пусковой орган по напряжению и фазочувствительный блок, первый и второй входы которого подключены к первым выходам каналов тока и напряжения соответственно. Дополнительно введены пусковой орган по току, логический блок с тремя входами и блок выходного органа, включенный на выход логического блока. Каналы тока и напряжения снабжены вторыми выходами, которые подключены через пусковые органы по току и напряжению соответственно к первому и второму входам логического блока, третий вход которого имеет цепь связи с выходом фазочувствительного блока. Введение пускового органа по току, логического блока с тремя входами и вышеуказанное их подключение позволяют повысить надежность срабатывания и несрабатывания защиты при замыкании на землю в зоне и вне зоны действия устройства соответственно, а также позволяют сделать разное время на срабатывание и возврат устройства. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к направленным устройствам релейной защиты электрических сетей.

Известно устройство, которое при появлении замыкания на землю (при появлении 3I_о и 3U_о) моделирует параметры линии, при этом возникает ток модели, достаточно точно воспроизводящий характер тока в поврежденном присоединении. Характер тока в модели соответствует характеру тока нулевой последовательности в линии при отсутствии на ней повреждения, величины тока модели и тока нулевой последовательности могут быть различными, а знаки интегралов этих токов совпадают. Несовпадение знаков интегралов свидетельствует о наличии повреждения в данном присоединении линии [1].

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для защиты от замыкания на землю в электрической сети переменного тока, содержащее датчики тока и напряжения, выходы которых подключены к входам каналов тока и напряжения соответственно, выходы которых, а также выход пускового органа по напряжению подключены к трем входам коммутатора соответственно, выход которого подключен к второму входу фазочувствительного блока, первый вход которого подключен к выходу канала тока, а вход пускового органа по напряжению подключен к выходу датчика напряжения. При появлении замыкания на землю на выходе датчика тока появляется напряжение, которое усиливается, доворачивается по фазе на 90^о и поступает на первый вход фазочувствительного блока. Если сигнал на выходе датчика напряжения меньше уставки пускового органа, то на выходе пускового органа сигнал отсутствует, что вызывает открытие транзисторного ключа, расположенного в коммутаторе. С выхода формирователя, расположенного в коммутаторе и подключенного к выходу канала тока, прямоугольные сигналы поступают на второй вход фазочувствительного блока, причем они синфазны с выходными сигналами канала тока, и фазочувствительный элемент производит двухполупериодное выпрямление входных сигналов, при превышении которыми уставки срабатывания происходит отключение поврежденного участка сети. Если же сигнал больше уставки пускового органа по напряжению, на второй вход фазочувствительного блока поступает напряжение прямоугольной формы с выхода канала напряжения. Если замыкание произошло в защищаемой зоне, то напряжение на втором входе фазочувствительного блока синфазно с сигналом канала тока и это вызывает срабатывание устройства защиты [2].

Вышеописанные устройства не применимы в сетях с нейтралью, заземленной через активный резистор, а также не обладают достаточным быстродействием на возврат, что снижает надежность селективной работы при ликвидации замыканий в сети.

Предлагаемое устройство для защиты от замыкания на землю в электрической сети переменного тока содержит датчики тока и напряжения, выходы которых подключены к входам каналов тока и напряжения соответственно, пусковой орган по напряжению и фазочувствительный блок, первый и второй входы которого подключены к первым выходам каналов тока и напряжения соответственно, в которое дополнительно введены пусковой орган по току, логический блок с тремя входами и блок выходного органа, включенный на выход логического блока, а каналы тока и напряжения снабжены вторыми выходами, которые подключены через пусковые органы по току и напряжению соответственно к первому и второму входам логического блока, третий вход которого имеет цепь связи с выходом фазочувствительного блока.

Введение логического блока с тремя входами, пускового органа по току и вышеуказанное их подключение позволяют повысить надежность срабатывания (не срабатывания) защиты при замыкании на землю в зоне (вне зоны) действия устройства. В устройстве пусковые органы по току и напряжению снабжены вторыми входами, которые подключены к дополнительному выходу логического блока. Это повышает четкость срабатывания при токах и напряжениях, близких к уставкам.

Другим отличием данного изобретения является то, что в цепь связи третьего входа логического блока с выходом фазочувствительного блока введен блок корректировки, снабженный дополнительным входом, который подключен к выходу логического блока. Это расширяет зону действия защиты и повышает четкость срабатывания на границах указанной зоны.

Еще одним отличием является наиболее предпочтительное внутреннее выполнение фазочувствительного блока, каналов тока и напряжения, заключающееся в том, что канал тока выполнен в виде последовательно соединенных первого входного блока, первого блока поворота фазы, усилителя, первого формирователя меандра и первого полосового фильтра на выходе и содержит блок подмагничивания, включенный между входом первого блока поворота фазы и выходом усилителя, выход первого входного блока является вторым выходом канала тока, канал напряжения выполнен в виде последовательно соединенных вторых входного блока, формирователя меандра, блока поворота фазы и полосового фильтра на выходе, при этом выход второго входного блока является вторым выходом канала напряжения, фазочувствительный блок содержит два сумматора, два дифференциальных усилителя, интегратор, третий и четвертый формирователи меандра и выходной выпрямитель, причем первый и второй входы первого сумматора соединены с одноименными входами первого дифференциального усилителя и интегратора и являются первым и вторым входами фазочувствительного блока, выход первого сумматора подключен к первому входу второго дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к выходу интегратора, выходы первого и второго дифференциальных усилителей через третий и четвертый формирователи меандра подключены к первому и второму входам второго сумматора соответственно, выход которого подключен к входу выпрямителя.

Указанное выполнение фазочувствительного блока, каналов тока и напряжения позволяет расширить область применения устройства и обеспечить высокую и неизменную чувствительность независимо от сопротивления заземления нейтрали.

Предложенное устройство также отличается тем, что пусковой орган по току выполнен в виде последовательно соединенных входного усилителя, выпрямителя, интегрирующего звена, порогового блока на выходе и содержит блок регулировки усиления, выход которого подключен к дополнительному входу усилителя, а первый и второй входы соединены с выходами усилителя и выпрямителя соответственно, при этом дополнительный вход порогового блока является вторым входом пускового органа по току. Это обеспечивает быстрый возврат устройства при отключении или самоликвидации замыкания на землю.

На фиг.1 показана структурная схема устройства по п.1 формулы. К выходам датчиков 1 и 5 тока и напряжения подключены входы каналов 2 и 6 тока и напряжения соответственно. Первые выходы каналов 2 и 6 тока и напряжения подключены к первому и второму входам фазочувствительного блока 3, выход которого соединен с третьим входом логического блока 8. Выход логического блока 8 соединен с входом блока 9 выходного органа. Вторые выходы каналов 2 и 6 тока и напряжения через пусковые органы 4 и 7 тока и напряжения соединены с первым и вторым входами соответственно логического блока 8.

На фиг.2 показана связь вторых входов пусковых органов 4 и 7 по току и напряжению с дополнительным выходом логического блока 8.

На фиг.3 представлена схема устройства, в котором в цепь связи третьего входа логического блока 8 с выходом фазочувствительного органа 3 введен блок 10 корректировки. Дополнительный выход блока 10 корректировки соединен с выходом логического блока 8.

На фиг.4 приведена структурная схема устройства, в которой выход датчика 1 тока подключен к входу канала 2 тока, состоящего из последовательно соединенных первого входного блока 11, представляющего собой разделительный согласующий трансформатор, первого блока 12 поворота фазы, усилителя 13, первого формирователя 14 меандра и выходного первого полосового фильтра 15, между входом первого блока 12 поворота фазы и выходом усилителя 13 включен блок 16 подмагничивания. Выход первого входного блока 11 является вторым выходом канала 2 тока. Второй выход канала 2 тока соединен с входом пускового органа 4 по току, которым является вход усилителя 29. В состав пускового органа 4 по току входят также последовательно соединенные с усилителем 29 и между собой выпрямитель 30, интегрирующее звено 31, пороговый блок 29. К выходам усилителя 29 и выпрямителя 30 подключен первым и вторым входами соответственно блок 33 регулировки усиления, а его выход подключен к дополнительному входу усилителя 29. Выход датчика 5 напряжения подсоединен к входу канала 6 напряжения, состоящего из последовательно соединенных вторых входного блока 17, представляющего собой разделительный согласующий трансформатор, формирователя 18 меандра, блока 19 поворота фазы и полосового фильтра 20 на выходе. Выход второго входного блока 17 является вторым выходом канала 6 напряжения, который соединен с входом пускового органа 7 по напряжению, представляющего собой реле максимального напряжения. Первые входы каналов по току 2 и напряжению 6 соединены соответственно с первым и вторым входами фазочувствительного блока 3, которыми являются первые и вторые входы первого сумматора 21, объединенные с одноименными входами интегратора 22 и первого дифференциального усилителя 23. Выходы первого сумматора 21 и интегратора 22 соединены соответственно с первым и вторым входами второго дифференциального усилителя 24, выход которого через четвертый формирователь 25 меандра соединен с первым входом второго сумматора 27. Выход первого дифференциального усилителя 23 через третий формирователь 26 меандра соединен с вторым входом сумматора 27, выход которого соединен с входом выпрямителя 28, выход которого является выходом фазочувствительного блока 3 и соединен с блоком 10 корректировки, выход которого подключен к третьему входу логического блока 8.

Блок 10 корректировки представляет собой интегрирующее звено и служит для корректировки угловой характеристики. Дополнительный вход блока 10 корректировки подключен к выходу логического блока 8, который соединен с входом выходного органа 9. Логический блок 8 включает в себя два последовательно соединенных элемента НЕ-И. Первый и второй входы логического блока 8 соединены с выходами пусковых органов по току 4 и напряжению 7 соответственно. Дополнительный выход логического блока 8 соединен с вторыми входами пусковых органов по току 4 и напряжению 7.

Принцип работы устройства заключается в следующем.

При замыкании на землю на выходе датчиков 1 и 5 тока и напряжения появляются сигналы, которые обрабатываются в каналах 2 и 6 тока и напряжения соответственно. Сигнал с выхода датчика 1 тока через входной блок 11 поступает на вход блока 12 поворота фазы, где сдвигается на 90^о. Далее сигнал усиливается блоком 13, корректируется фаза сигнала блоком 16 подмагничивания и формируется меандр с помощью блока 14. Из полученного сигнала полосовым фильтром 15 выделяется основная составляющая. Таким образом на первом выходе канала 2 тока имеется синусоидальный сигнал с неизменной амплитудой U₁ = =A₁sin (ω t + ϕ), который поступает на первый вход фазочувствительного блока 3. В канале 6 напряжения сигнал, поступивший с датчика 5, пройдя последовательно входной блок 17 и формирователь 18 меандра, сдвигается по фазе блоком 19 на угол, близкий к 60^о. Далее полосовой фильтр 20 выделяет основную составляющую. На выходе канала 6 напряжения имеется синусоидальный сигнал с неизменной амплитудой U₂ = A₂sinω t, который поступает на второй вход фазочувствительного блока 3.

В фазочувствительном блоке 3 сигналы первого и второго входов поступают на входы сумматора 21, интегратора 22 и дифференциального усилителя 23. С выходов сумматора 21 и интегратора 22 сигналы поступают на входы дифференциального усилителя 24. В результате на выходах блоков 23 и 24 появляются сигналы, которые изменяются во времени по функции cos (ω t +ϕ /2) и имеют амплитуды K₁sinϕ /2 и K₂cos ϕ/2 соответственно. Указанные сигналы поступают на входы формирователей 25 и 26 меандров и после алгебраического суммирования в блоке 27 двух полученных меандров на выходе выпрямителя 28 может быть получен либо нулевой, либо высокий уровень постоянного напряжения.

При замыкании на землю в зоне действия устройства будет получен выходной сигнал высокого уровня, соответствующий логической единице. При замыкании на землю вне зоны действия устройства сигнал на выходе блока 28 будет равен логическому нулю.

Сигнал с выхода блока 3 поступает на блок 10, в котором вырабатывается дополнительный сигнал, препятствующий изменению сигнала на выходе блока 10 до тех пор, пока сигнал на первом входе блока 10 не изменится до заданного уровня, после чего происходит скачкообразное изменение сигнала на выходе блока 10.

Сигнал с выхода блока 10 поступает на третий вход логического блока 8. При условии, если на три входа блока 8 поступают сигналы, соответствующие логической единице, сигнал на выходе блока 8 - также логическая единица, который поступает на блок 9 выходного органа, который при этом срабатывает. Если хотя бы один из входных сигналов блока 8 равен логическому нулю, то блок 9 не работает.

Пусковой орган по току сравнивает входной сигнал с уставкой и действует следующим образом. Сигнал с выхода первого входного блока поступает на входной усилитель 29 с автоматической регулировкой коэффициента передачи, осуществляемой блоком 33, причем, чем больше сигнал на входе усилителя 29, тем коэффициент передачи меньше. Выпрямитель 30 осуществляет двухполупериодное выпрямление, его выход подключен к входу интегрирующего звена 31, в котором происходит сглаживание двухполупериодного сигнала. Выход блока 31 подключен к входу порогового блока 32, в котором происходит срабатывание при превышении уставки и, кроме того, происходит быстрый сброс накопленного сигнала.

Техническим результатом является повышение надежности и селективности работы в сетях с изолированной и заземленной через активный резистор нейтралью, в том числе в сетях с повышенными требованиями по безопасности к устройствам защиты, обладающим высоким быстродействием на срабатывание и на возврат и высокой неизменной чувствительностью в зоне срабатывания. Устройство защиты имеет широкую область применения в сетях с суммарными емкостными токами от 0,2 А (первичных) до нескольких сот ампер.

Проведенные испытания подтвердили изложенные выше положительные качества устройства, в том числе возможность широкого применения в сетях с изолированной и заземленной через активный резистор нейтралью. В частности, быстродействие устройства на срабатывание увеличилось в 1,5-2 раза, на возврат - в 3-4 раза при той же чувствительности защиты.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ОТ ЗАМЫКАНИЯ НА ЗЕМЛЮ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА, содержащее датчики тока и напряжения, выходы которых подключены к входам каналов тока и напряжения соответственно, пусковой орган по направлению и фазочувствительный блок, первый и второй входы которого подключены к первым выходам каналов тока и напряжения соответственно, отличающееся тем, что в него дополнительно введены пусковой орган по току, логический блок с тремя входами и блок выходного органа, включенный на выход логического блока, а каналы тока и напряжния снабжены вторыми выходами, которые подключены через пусковые органы по току и напряжению соответственно к первому и второму входам логического блока, третий вход которого имеет цепь связи с выходом фазочувствительного блока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пусковые органы по току и напряжению снабжены вторыми входами, которые подключены к дополнительному входу логического блока.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в цепь связи третьего входа логического блока с выходом фазочувствительного блока введен блок корректировки, снабженный дополнительным входом, который подключен к выходу логического блока.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что канал тока выполнен в виде последовательно соединенных первого входного блока, первого блока поворота фазы, усилителя, первого формирователя меандра и первого полосового фильтра на выходе и содержит блок подмагничивания, включенный между входом первого блока поворота фазы и выходом усилителя, при этом выход первого входного блока является вторым выходом канала тока, канал напряжения выполнен в виде последовательно соединенных вторых входного блока, формирователя меандра, блока поворота фазы и полосового фильтра на выходе, при этом выход второго входного блока является вторым выходом канала напряжения, фазочувствительный блок содержит два сумматора, два дифференциальных усилителя, интегратор, третий и четвертый формирователи меандра и выходной выпрямитель, причем первый и второй входы первого сумматора соединены с одноименными входами первого дифференциального усилителя и интегратора и являются первым и вторым входами фазочувствительного блока, выход первого сумматора подключен к первому входу второго дифференциального усилителя, второй вход которого подключен к выходу интегратора, выходы первого и второго дифференциальных усилителей через третий и четвертый формирователи меандра подключены к первому и второму входам второго сумматора соответственно, выход которого подключен к входу выпрямителя.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что пусковой орган по току выполнен в виде последовательно соединенных входного усилителя, выпрямителя, интегрирующего звена и порогового блока на выходе и содержит блок регулировки усиления, выход которого подключен к дополнительному входу усилителя, а первый и второй входы соединены с выходами усилителя и выпрямителя соответственно, при этом дополнительный вход порогового блока является вторым входом пускового органа по току.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4