Устройство для максимальной токовой защиты электроустановки переменного тока

 

Устройство предназначено для защиты электроустановок переменного тока от коротких замыканий и может быть применено в расцепителях максимального тока автоматических выключателей. Содержит трансформаторы тока, выпрямитель, измерительный элемент и исполнительный элемент. Технический результат заключается в устранении зависимости выдержки времени при коротком замыкании от вида ненормального режима (однофазный, двухфазный, трехфазный) и величины тока, улучшении условия согласования ступеней селективности в защищаемой установке, повышении помехозащищенности и надежности устройства без снижения коэффициентов возврата по току и времени, расширении области применения устройства. 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике, предназначено для защиты электроустановок переменного тока от коротких замыканий и может быть применено в расцепителях максимального тока автоматических выключателей.

Известны устройства для максимальной токовой защиты электроустановок переменного тока от сверхтоков, в том числе от перегрузок и коротких замыканий, основными элементами которых являются трансформаторы тока, выпрямитель, измерительный элемент, выполненный в виде порогового органа, времязадающего органа и выходного органа, и исполнительный элемент, например устройство [1] . Для устранения зависимости выдержки времени от вида ненормального режима (однофазный, двухфазный или трехфазный) в этом устройстве на входе порогового органа установлен конденсатор фильтра, напряжение на котором пропорционально наибольшему току в проводах защищаемой сети. Емкость этого конденсатора выбирается из условий сохранения сработанного состояния порогового органа до прихода нового сигнала от этого провода защищаемой сети через период или полпериода частоты питающей сети. В результате заряд времязадающего конденсатора во времязадающем органе продолжается еще некоторое время после того, как режим в сети нормализовался. Это затрудняет условия селективного отключения, что является недостатком устройства.

В устройстве [2] для повышения быстродействия по возврату напряжение на конденсаторах фильтра ограничивается диодами, для чего дополнительно введены два разнополярных источника тока, что усложняет устройство и лишь частично устраняет недостаток устройства [1].

Наиболее близким к предлагаемому является устройство [3], схема которого приведена на фиг.1.

Оно содержит трансформаторы тока 1, трехфазный двухполупериодный выпрямитель 2, входы которого соединены с трансформаторами тока 1, а выходы - со входами измерительного элемента 3, и исполнительный элемент 4, состоящий из электромагнита 5 и по крайней мере одного тиристора 6, цепь управления которого связана с выходом измерительного элемента 3, выполненного в виде стабилизатора напряжения 7, первого 8, второго 9, третьего 10, четвертого 11 и пятого 12 делителей напряжения на резисторах, первого 13 и второго 14 компараторов, времязадающего органа 15 и выходного органа 16, причем первый вход измерительного элемента 3 образован первым входом-выходом стабилизатора 7, к которому подключена общая шина 17 устройства, второй вход измерительного элемента 3 образован вторым входом стабилизатора 7, к которому подключен также первый вывод первого делителя напряжения 8, второй выход стабилизатора 7 образует шину стабилизированного напряжения 18, к которой подключены первые выводы второго 9, четвертого 11 делителей напряжения и первые выводы питания первого 13 и второго 14 компараторов, к общей шине 17 - вторые выводы первого 8, второго 9, четвертого 11 делителей напряжения и вторые выводы питания первого 13 и второго 14 компараторов, средние точки первого 8 и второго 9 делителей напряжения соединены со входами первого компаратора 13, средняя точка третьего делителя напряжения 10 соединена с базой транзистора 19 времязадающего органа 15, в котором первые выводы времязадающего резистора 20 и времязадающего конденсатора 21 связаны с первым входом второго компаратора 14, к выходу которого подключен первый вывод пятого делителя напряжения 12, средняя точка которого подключена к базе транзистора 22 выходного органа 16, второй вывод времязадающего конденсатора 21 соединен с общей шиной 17, первый вывод третьего делителя напряжения 10 связан с эмиттером транзистора 19 времязадающего органа 15, а второй выход пятого делителя напряжения 12 - с эмиттером транзистора 22 выходного органа 16. Первый вывод третьего делителя напряжения 10 подключен к шине стабилизированного питания 18, второй его вывод - к выходу первого компаратора 13, коллектор транзистора 19 времязадающего органа 15 - ко второму и третьему выводам времязадающего резистора 20, средняя точка четвертого делителя напряжения 11 - ко второму входу второго компаратора 14, эмиттер транзистора 22 выходного органа 16 - к шине стабилизированного питания 18, его коллектор - к первому выводу обмотки реле 23, второй вывод которой - к общей шине 17, а контакт 24 реле 23 образует выход измерительного элемента 3.

В этом устройстве [3] устранен недостаток по большому времени возврата, присущий устройствам [1, 2], т.к. на входе порогового органа, которым является компаратор 13, емкости отсутствуют. Коэффициент возврата по току также близок к единице, т.к. в компараторе 13 отсутствуют обратные связи. Но в этом устройстве выдержка времени при коротком замыкании зависит от величины тока, что затрудняет условия согласования ступеней селективности в защищаемой установке. Зависимость выдержки времени от тока поясняют диаграммы на фиг. 2. Как видно из диаграмм а), б) и в), при токе I₂ > I₁ растет время, в течение которого компаратор находится в сработанном состоянии и на его выходе присутствует напряжение U_k. В эти моменты времени открыт транзистор 19, и происходит заряд конденсатора 21, а в паузах он медленно разряжается. В результате напряжение U_c на конденсаторе (диаграмма г) при большом токе раньше достигает величины опорного напряжения, и компаратор 14 срабатывает за время T₂ < T₁, что не всегда приемлемо по условиям селективности отключения токов короткого замыкания.

В устройстве [3] трансформаторы тока установлены только в двух фазах защищаемой электроустановки, что не всегда допустимо и ограничивает область применения данного устройства. При установке же третьего трансформатора тока появляется зависимость выдержки времени при коротком замыкании от вида ненормального режима (однофазный, двухфазный, трехфазный). Как видно из диаграмм д), е) и ж), в случае трехфазного короткого замыкания выдержка времени T₃ < T₂ < T₁, что также является недостатком. Наличие в выходном органе 16 устройства [3] реле 23 с контактом 24 в цепи управления тиристора 6 снижает надежность и помехозащищенность.

Задача предлагаемого устройства - устранить зависимость выдержки времени при коротком замыкании от вида ненормального режима и величин тока, улучшить условия согласования ступеней селективности в защищаемой установке, повысить помехозащищенность и надежность устройства без снижения коэффициентов возврата по току и времени и расширить область его применения. Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройство для максимальной токовой защиты электроустановки переменного тока, содержащее трансформаторы тока, трехфазный двухполупериодный выпрямитель, входы которого соединены с трансформаторами тока, а выходы - со входами измерительного элемента, и исполнительный элемент, состоящий из электромагнита и по крайней мере одного тиристора, цепь управления которого связана с выходом измерительного элемента, выполненного в виде стабилизатора напряжения, первого, второго, третьего, четвертого и пятого делителей напряжения на резисторах, первого и второго компараторов, времязадающего органа и выходного органа, в котором первый вход измерительного элемента образован первым входом-выходом стабилизатора, к которому подключена общая шина устройства, второй вход измерительного элемента образован вторым входом стабилизатора напряжения, к которому подключен также первый вывод первого делителя напряжения, второй выход стабилизатора образует шину стабилизированного напряжения, к которой подключены первые выводы второго, четвертого делителей напряжения и первые выводы питания первого и второго компараторов, к общей шине - вторые выводы первого, второго, четвертого делителей напряжения и вторые выводы питания первого и второго компараторов, средние точки первого и второго делителей напряжения соединены со входами первого компаратора, средняя точка третьего делителя напряжения соединена с базой транзистора времязадающего органа, в котором первые выводы времязадающего резистора и времязадающего конденсатора связаны с первым входом второго компаратора, к выходу которого подключен первый вывод пятого делителя напряжения, средняя точка которого подключена к базе транзистора выходного органа, второй вывод времязадающего конденсатора соединен с общей шиной, первый вывод третьего делителя напряжения связан с эмиттером транзистора времязадающего органа, а второй вывод пятого делителя напряжения - с эмиттером транзистора выходного органа, в измерительный элемент дополнительно введены триггер Шмидта с входной логикой 2И-НЕ, инвертор, шесть диодов, конденсатор, шестой делитель напряжения на резисторах и четыре резистора, выход первого компаратора подключен к первым выводам первого и второго диодов, второй вывод первого диода - к первым выводам конденсатора, первого резистора и объединенным входам триггера, второй выход второго диода - ко входу инвертора и первому выводу второго резистора, первые выводы питания триггера и инвертора, первые выводы третьего резистора и шестого делителя напряжения, второй и третий выводы времязадающего резистора времязадающего органа - к шине стабилизированного питания, вторые выводы первого и второго резисторов, конденсаторов, питания триггера и инвертора и эмиттер транзистора времязадающего органа - к общей шине, общая точка времязадающего резистора и времязадающего конденсатора времязадающего органа - к первым выводам третьего и четвертого диодов, вторые выводы третьего диода и третьего резистора - к коллектору транзистора времязадающего органа, второй вывод третьего делителя напряжения - к выходу триггера, второй вывод четвертого диода - к средней точке четвертого делителя напряжения, второй вывод шестого делителя напряжения - к выходу инвертора, средняя точка шестого делителя напряжения - ко второму входу второго компаратора и к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого через пятый диод подключен к выходу второго компаратора, первый вход второго компаратора через шестой диод подключен к эмиттеру транзистора выходного органа, а коллектор этого транзистора образует выход измерительного элемента.

Схема предлагаемого устройства приведена на фиг.3. Оно содержит трансформаторы тока 1, трехфазный двухполупериодный выпрямитель 2, входы которого соединены с трансформаторами тока 1, а выходы - со входами измерительного элемента 3, и исполнительный элемент 4, состоящий из электромагнита 5 и тиристора 6, цепь управления которого связана с выходом измерительного элемента 3. Измерительный элемент 3 выполнен в виде стабилизатора напряжения 7, первого 8, второго 9, третьего 10, четвертого 11 и пятого 12 делителей напряжения на резисторах, первого 13 и второго 14 компараторов, времязадающего органа 15 и выходного органа 16. Первый вход измерительного элемента 3 образован первым входом-выходом стабилизатора 7, к которому подключена общая шина устройства 17; второй вход измерительного элемента 3 образован вторым входом стабилизатора 7, к которому подключен также первый вывод первого делителя напряжения 8; второй вход стабилизатора 7 образует шину стабилизированного напряжения 18, к которой подключены первые выводы второго 9, четвертого 11 делителей напряжений и первые выводы питания первого 13 и второго 14 компараторов; к общей шине 17 подключены вторые выводы первого 8, второго 9, четвертого 11 делителей напряжения и вторые выводы питания первого 13 и второго 14 компараторов; средние точки первого 8 и второго 9 делителей напряжения соединены со входами первого компаратора 13; средняя точка третьего делителя напряжения 10 соединена с базой транзистора 19 времязадающего органа 15, в котором первые выводы времязадающего резистора 20 и времязадающего конденсатора 21 связаны с первым входом второго компаратора 14, к выходу которого подключен первый вывод пятого делителя напряжения 12, средняя точка которого подключена к базе транзистора 22, а второй вывод пятого делителя напряжения 12 соединен с эмиттером транзистора 22 выходного органа 16. Кроме того, устройство содержит триггер Шмидта 25 с входной логикой 2И-НЕ, инвертор 26, первый 27, второй 28, третий 29, четвертый 30, пятый 31 и шестой 32 диоды, конденсатор 33, шестой делитель напряжения 34 на резисторах и резисторы - первый 35, второй 36, третий 37 и четвертый 38; выход первого компаратора 13 подключен к первым выводам первого 27 и второго 28 диодов, второй вывод первого диода 27 - к первым выводам конденсатора 33, первого резистора 35 и объединенным входам триггера 25, второй вывод второго диода 28 - ко входу инвертора 26 и первому выводу второго резистора 36; первые выводы питания триггера 25 и инвертора 26, первые выводы третьего резистора 37 и шестого делителя напряжения 34, второй и третий выводы времязадающего резистора 20 времязадающего органа 15 подключены к шине 18 стабилизированного напряжения; вторые выводы первого 35 и второго 36 резисторов, конденсатора 33, питания триггера 25 и инвертора 26, эмиттер транзистора 19 времязадающего органа 15 подключены к общей шине 17, общая точка времязадающего резистора 20 и времязадающего конденсатора 21 времязадающего органа 15 - к первым выводам третьего 29 и четвертого 30 диодов, вторые выводы третьего диода 29 и третьего резистора 37 - к коллектору транзистора 19 времязадающего органа 15, второй вывод третьего делителя напряжения 10 - к выходу триггера 25, второй вывод четвертого диода 30 - к средней точке четвертого делителя напряжения 11, второй вывод шестого делителя напряжения 34 - к выходу инвертора 26, средняя точка десятого делителя напряжения 34 - ко второму входу второго компаратора 14 и к первому выводу четвертого резистора 38, второй вывод которого через пятый диод 31 подключен к выходу второго компаратора 14, первый вход второго компаратора 14 через шестой диод 32 подключен к эмиттеру транзистора 22 выходного органа 16, а коллектор транзистора 22 образует выход измерительного элемента 3.

При нормальном режиме электроустановки напряжения на выходе выпрямителя 2, делителе 8 и входе компаратора 13 недостаточно для срабатывания последнего, на его выходе напряжение низкого уровня; конденсатор 33 разряжен; на выходе триггера 25 напряжение высокого уровня; транзистор 19 открыт и шунтирует конденсатор 21; на входе инвертора 26 напряжение низкого уровня, а на его выходе напряжение высокого уровня; напряжение на первом входе компаратора 14 низкого уровня, на втором входе высокого уровня, на выходе высокого уровня; транзистор 22 и тиристор 6 закрыты.

При возникновении в электроустановке короткого замыкания возрастают вторичный ток трансформаторов тока 1 и напряжение на выходе выпрямителя 2. Напряжение в средней точке делителя 8 в течение той или иной доли полупериода превышает напряжение в средней точке делителя 9. В эти моменты времени на выходе компаратора 13 напряжение высокого уровня; конденсатор 33 быстро заряжается до напряжения на шине 18; перебрасывается триггер 25, закрывается транзистор 19, конденсатор 21 заряжается через резистор 20; в эти же моменты времени на выходе инвертора 26 напряжение низкого уровня, в результате чего напряжение на втором входе компаратора 14 снижается до напряжения в средней точке делителя 34, выводы которого оказываются включенными между шинами 17 и 18. Если в один из этих моментов напряжение на конденсаторе 21 превысит напряжение в средней точке делителя 34, напряжение высокого уровня на выходе компаратора 14 сменится на напряжение низкого уровня, в результате чего откроется транзистор 22. Конденсатор 21 будет разряжаться через диод 32, открытый транзистор 22 и управляющий вход тиристора 6; тиристор 6 откроется, подав питание на электромагнит 5; произойдет отключение поврежденной электроустановки.

Конденсатор 33, быстро заряжающийся до напряжения высокого уровня на выходе компаратора 13, медленно разряжается через резистор 35, удерживая триггер 25 в состоянии низкого выходного напряжения в течение времени, превышающего половину периода сетевого напряжения, даже при отсутствии напряжения высокого уровня на выходе компаратора 13. В результате этого заряд конденсатора 21 происходит не импульсно, а постоянно, т.е. не зависит ни от длительности, ни от частоты следования импульсов на выходе компаратора 13, а следовательно, выдержка времени при коротком замыкании не зависит ни от величины тока короткого замыкания, ни от вида ненормального режима, что улучшает условия согласования ступеней селективности в защищаемой установке и расширяет область применения устройства.

Если короткое замыкание в защищаемой электроустановке будет ликвидировано до окончания установленной выдержки времени, конденсатор 33 может еще в течение полупериода удерживать триггер 25 в состоянии низкого уровня выходного напряжения, транзистор 19 будет закрыт, заряд времязадающего конденсатора 21 - продолжаться. Но на выходе компаратора 13 и входе инвертора 26 импульсов уже не будет, напряжение в средней точке делителя 34 и связанном с ней входе компаратора 14 будет равно напряжению на шине стабилизированного напряжения 18. Конденсатор 21 не может зарядиться до этого напряжения, т.к. его заряд ограничен открывающимся диодом 30 до напряжения в средней точке делителя 11.

Это исключает возможность срабатывания компаратора 14, выходного органа 16 и исполнительного элемента 4 и делает коэффициенты возврата устройства по току и по времени близкими к единице.

Цепочка из диода 31 и резистора 38 расширяет длительность импульса, подаваемого на управляющий вход исполнительного элемента 4, что повышает надежность срабатывания устройства.

Отсутствие контактов в цепи управления исполнительного элемента и надежное запирание компаратора 14 в моменты, когда отсутствуют импульсы на выходах компаратора 13 и инвертора 26, обеспечивают хорошую помехозащищенность устройства.

Источники информации 1. А.С.СССР N 103252, кл. 21с, 68/01, 68/60, 1964 г.

2. А.С.СССР N 1394310, H 02 H 3/08, 1900 г.

3. А.С.СССР N 1808163 A3, H 02 H 3/08, 1993 г.

Формула изобретения

Устройство для максимальной токовой защиты электроустановки переменного тока, содержащее трансформаторы тока, трехфазный двухполупериодный выпрямитель, входы которого соединены с трансформаторами тока, а выходы - со входами измерительного элемента, и исполнительный элемент, состоящий из электромагнита и по крайней мере одного тиристора, цепь управления которого связана с выходом измерительного элемента, выполненного в виде стабилизатора напряжения, первого, второго, третьего, четвертого и пятого делителей напряжения на резисторах, первого и второго компараторов, времязадающего органа и выходного органа, причем первый вход измерительного элемента образован первым входом-выходом стабилизатора напряжения, к которому подключена общая шина устройства, второй вход измерительного элемента образован вторым входом стабилизатора напряжения, к которому подключен также первый вывод первого делителя напряжения, второй выход стабилизатора напряжения образует шину стабилизированного напряжения, к которой подключены первые выводы второго, четвертого делителей напряжения и первые выводы питания первого и второго компараторов, к общей шине - вторые выводы первого, второго, четвертого делителей напряжения и вторые выводы питания первого и второго компараторов, средние точки первого и второго делителей напряжения соединены со входами первого компаратора, средняя точка третьего делителя напряжения соединена с базой транзистора времязадающего органа, в котором первые выводы времязадающего резистора и времязадающего конденсатора связаны с первым входом второго компаратора, к выходу которого подключен первый вывод пятого делителя напряжения, средняя точка которого подключена к базе транзистора выходного органа, второй вывод времязадающего конденсатора соединен с общей шиной, первый вывод третьего делителя напряжения связан с эмиттером транзистора времязадающего органа, а второй вывод пятого делителя напряжения - с эмиттером транзистора выходного органа, отличающееся тем, что в измерительный элемент дополнительно введены триггер Шмидта с входной логикой 2 И - НЕ, инвертор, шесть диодов, конденсатор, шестой делитель напряжения на резисторах и четыре резистора, выход первого компаратора подключен к первым выводам первого и второго диодов, второй вывод первого диода - к первым выводам конденсатора, первого резистора и объединенным входам триггера Шмидта, второй вывод второго диода - ко входу инвертора и первому выводу второго резистора, первые выводы питания триггера и инвертора, первые выводы третьего резистора и шестого делителя напряжения, второй и третий выводы времязадающего резистора времязадающего органа - к шине стабилизированного напряжения, вторые выводы первого и второго резисторов, конденсатора, питания триггера и инвертора и эмиттер транзистора времязадающего органа - к общей шине, общая точка времязадающего резистора и времязадающего конденсатора времязадающего органа - к первым выводам третьего и четвертого диодов, вторые выводы третьего диода и третьего резистора - к коллектору транзистора времязадающего органа, второй вывод третьего делителя напряжения - к выходу триггера, второй вывод четвертого диода - к средней точке четвертого делителя напряжения, второй вывод шестого делителя напряжения - к выходу инвертора, средняя точка шестого делителя напряжения - ко второму входу второго компаратора и к первому выводу четвертого резистора, второй вывод которого через пятый диод подключен к выходу второго компаратора, первый вход второго компаратора через шестой диод подключен к эмиттеру транзистора выходного органа, а коллектор этого транзистора образует выход измерительного элемента.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3