Устройство для защиты электрической сети от повреждений

(5)5 Н 02 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ага ехн щит к электр но для э рован но коротки ам ш е опетока фор- ного ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 1573497, кл. Н 02 Н 3/16, 1986,(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ ОТ ПОВРЕЖДЕНИЙ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты электрических сетей с регулируемым электроприводом. Целью изобретения является повышение точности защиты от утечек тока на землю при изменении емкости сети, При включении питания генератор оперативного напряжения 1 подключается к жилам конемого изобретение относится ике и может быть использоваы электрических сетей с изолийтралью от токов утечки и ыканий, в том числе и для горрегулируемым электропривоЦелью изобретения является пов ние точности защиты от утечек тока на лю при изменении емкости сети. На чертеже приведена структурна ма предлагаемого устройства. Устройство содержит источник ративного напряжения переменного(генератора) 1 с разделительным трэн матором на выходе, датчики оператитролируемои сети через ключ 5 на время, определяемое формирователями. По параметрам оперативного напряжения блоком интегрирования б, блоком памяти 8 вычисляется величина оперативного тока, блоком перемножения 29, блоком уставок 28 вычисляется емкостная составляющая сопротивления утечки, блоком деления 24 вычисляется комплексное сопротивление утечки, блоками квадратов 31, 32, сумматором 26, блоком извлечения квадратного корня 33 вычисляется активная составляющая сопротивления утечки. В случае превышения оперативным током величины уставки порогового элемента 20, соответствующей короткому замыканию, или превышения величины активной составляющей уставки порогового элемента 21, срабатывает исполнительный блок 38, в результате источник 37 отключается, а блок индикации 15 казывает причину аварииного отключеил. напряжения 2 и оперативного тока 3. первый 4 и второй 5 ключи, первый б и второй 7 интеграторы, первый 8 и второй 9 элементы ПАМЯТЬ, блок установки в нуль 10, триггер 11, формирователь импульсов 12, делитель импульсов 13, разделительно-усилительный блок 14, блок индикации 15, блок присоединения 16, резлстор нагрузки 17, третий и четвертый интеграторы 18 и 19, первый 20 и второй 21 пороговые элементы, первый 22, второй 23 и третий 24 делители напряжений, первый 25 и второй 26 сумматоры, первый 27 и второй 28 блоки задания уставок, пере- множитель 29, элемент сравнения 30, первый 31 и второй 32 квадраторы, блок извлечения квадратного корня 33, элементИ 34, датчики сетевого напряжения 35 и тока нагрузки 36, силовой источник - управляемый выпрямитель 37, выходной исполнительный блок 38, шунтирующий резистор 39 и диод 40,На чертеже приведены также обозначения следующих параметров и элементов: й - сопротивление изоляции жил кабеля относительно земли, Сж - емкость жил кабеля относительно земли, В, С - сопротивление изоляции и емкость между силовыми жилами кабеля, Л В - сопротивление участка сети длиной Л 1, 41 (О) - электродвигатель постоянного тока, 42 (ЧО) - полупроводниковый диод, шунтирующий электродвигатель О.Источник оперативного напряжения 1 имеет трансформаторный выход. Выходная первая обмотка разделительного трансформатора (в 2 ) через второй ключ 5 подключается к жилам силовой сети, Выходные параметры этого источника измеряются датчиками оперативного напряжения 2 и тока 3, Управление вторым ключом 5 осуществляется посредством разделительно-усилительного блока 14,Первый интегратор 6 служит для суммирования величины тока нагрузки генератора оперативного напряжения за заданный промежуток времени 1, создаваемый последовательно включенными формирователем импульсов 12 и делителем импульсов 13 с первого его выхода, Величина 11 для повышения достоверности измерений может быть принята в пределах от единиц до десятков периодов сетевого или оперативного напряжения. Первый ключ 4 при его открывании соединяет выход первого интегратора 6 с входом первого элемента ПАМЯТЬ 8 для записи в него информации о величине оперативного тока. Второй элемент ПАМЯТЬ 9 служит для запоминания величины выходного напряжения оперативного генератора 1. Второй интегратор 7 служит для суммирования сигнала, пропорционального величине суммарного (активной и емкостной составляющей) тока утечки, создаваемого силовым источником 37 в контролируемой сети. Третий интегратор 18 служит для суммирования величины тока нагрузки силового источника 37. Четвертый интегратор 19 служит для суммирования сигнала, пропорционального выходному напряжению силового источника 37, Суммирование производится за промежуток времени 12, задаваемый делителем импульсов 13 со второго его выхода.Блок установки в нуль 10 служит дляпервоначальной установки в нулевое состояние интеграторов 6, 7, 18, 19, элементов ПАМЯТЬ 8 и 9 и триггера 11. Триггер 11 определяет режим работы разделительно- усилительного блока 14 и элемента И 34.5 Формирователь импульсов 12 и делитель импульсов 13 служат для формирования временного интервала т 1, в течение которого источник оперативного напряжения подключается к сети, и временного ин тервала 1 г, за который измеряются сетевоенапряжение и токи нагрузки и утечки в силовой сети. Введение диода 40 с нагрузочным резистором 39 в входную цепь формирователя импульсов 12 позволяет 15 получать выдержку времени 11, кратную целому числу периодов оперативного напряжения.Разделительно-усилительный блок 14служит для согласования выходной цепи 20 триггера 11 с входными цепями второгоключа 5 и гальванической развязки между высоковольтными цепями этого ключа и низковольтными цепями управления.Блок индикации 15 обеспечивает обслу живающий персонал информацией о срабатывании защиты при возникновении аварийных режимов.Блок присоединения 16 выполняет функции разделения силовых и измерительных 30 цепей, Резистор нагрузки 17 является измерительным элементом тока утечки силового источника 37 на землю,Первый пороговый элемент 20 служитдля установки порога срабатывания, соот ветствующего величине оперативного токапри коротком замыкании в обесточенной силовой сети, У тавка второго порогового элемента 21 соответствует уровню срабатывания защиты от утечек тока на землю.40 Первый делитель напряжений 22 служит для вычисления величины сопротивления цепи нагрузки оперативного генератора 1. 45 С помощью второго делителя напряжений 23 вычисляется уставка срабатывания защиты от короткого замыкания в силовой сети, соответствующая минимальному значению тока короткого замыкания при дейст вующем напряжении на выходе силовогоисточника 37. Третий делитель напряжений 24 служит для вычислений комплексного сопротивления утечки на землю в элементах силовой сети, В первом сумматоре 25 вычис ляется сопротивление жил силового кабеляс учетом сопротивлений второго ключа 5 и полупровод пикового диода ЧО в проводящем состоянии, величины которых определены заранее и введены в первый блок уставок 27.Перемножитель 29 с вторым блоком ус- ется на второй элемент ПАМЯТЬ 9 и запомитавок 28 служит для вычисления емкост- нается в нем,ной составляющей сопротивления утечки Ток в цепи источника оперативного нана землю элементов силовой сети. В блок пряжения создается за счет распределенноуставок 28 введена характеристика силово го сопротивления утечки В 11, йк емкостиго кабеля Х кмlй км, соответствующая отно- сети Ск сопротивления обмотки двигателя ишению емкостной Хс и активной й тока через диод ЧО. Этот ток содержит посоставляющих километрического сопротив- стоянную и переменную составляющие, Пеления жил силового кабеля, ременная составляющая определяетсяС помощью элемента сравнения 30 вы комплексными сопротивлениями утечки иполняется сравнение текущего значения то- якорной цепи электродвигателя. Постоянка нагрузки с величиной уставки, ная составляющаяпопределяется последорассчитываемой во втором делителе 23. вательно включенными сопротивлениемП ервый квадратор 31 служит для возве- жил кабеля йс 1 сопротивлением элементовдения в квадрат напряжения, пропорцио второго ключа 5 Вк 2 и сопротивлением Бчонального емкостной составляющейсопротивления силовой сети Хс Второйдиода ЧО в проводящем состоянии и авнаЧО р д щ сос о нии и равнаквадратор 32 служит для возведения в квад ират напряжения, пропорционального полй (1)Еному сопротивлению утечки Ву. 20 цВо втором су р 26о втором сумматоре 26 вычисляетсяГде Ооп Величина ВыходнОГО напряженияоперативного Генератора 1,разность квадратов сопротивлений утечкиВу и емкостной составляющей Хс. С поВ =йс К +ЯЮ.к 2мощью блока извлечения квадратного кор- В первом интеграторе 6 суммируетсяня 33 вычисляется активная составляющая 25 сигнал, пРопоРЦиональный токУ ОпеРативсопротивления утечки йа. ного генератора 1. Выходное напряжениелемент И 34 служит для блокировки, первого интегРатора 6 за период оперйтивисключающей подачу сигналов управления ного напряжения пропорционально постона выходной исполнительный блок 38 на ЯннойсоставлЯюЩейтокаи. СуммиРованиевремя подключения к сети источника опера велиины тока за отрезок времени 11 Обестивного напряжения 1. Выходной исполни- печивает полУчение среднего его значения,тельный блок 38 обеспечивает управление По истечении выдержки времени 11, олсиловым источником 37 по заданному за- Ределенной формирователем 12 и делитекону.лем импульсов 13, на первом выходеУстройство работает следующим обра делителя импульсов формируется импульс,зом, который переключает триггер 11 во ВтороеПри подаче на вход устройства сетевого состоЯние, НапРЯжение на выходе пеРвогонапряжения начинает работать источник интеГратора за это время достигает уровняоперативного напряжения 1. 01 = К 1 Мопо, Р)Ключи 4 и 5 находятся в закрытом состо Где К 1 - коэффициент пропорциональности;янии, Блок установки в нуль 10 устанавлива- топ - частота напряжения Оперативногоет в нулевое состояние интеграторы 6, 7, 18 генератоРа,и 19, элементы ПАМЯТЬ 8 и 9 и включает и через первый ключ 4 будет записано втриггер 11. В результате включения тригге первый элемент ПАМЯТЬ 8,Ра 11 сигналом с первого его выхода через 45 ТРиггеР 11, переключившись первымРазделительно-усилительный блок 14 вклю- своим выходом. отключает разделительночается второй ключ 5 и генератор оператив- усилительный блок 14, а вторым выходомного напряжения 1 подключается к жилам формирует логическую единицу на первомконтролируемой силовой сети, На втором входе элемента И 34, В результате выключавыходе триггера 11 формируется сигнал ло ется втоРой ключ 5, прекращая подачу опегического нуля и запрещается подача сигна- ративного напряжения на контролируемуюлов управления электроприводом сеть. и снимается блокировка, запрещаюблокировкой элемента И 34. щая прохождение команды управления вС помощью формирователя импульсов выходной исполнительный блок 38,12 и делителя импульсов 13 отсчитывается 55 Сигнал с выхода пер ого э"е ента ПАвыдержка времени т 1 подключения генера- мЯть 8 подается на первый пороговый элетора оперативного напряжения 1 к контро мент 20. При коротком замыкании в силовойлируемой сети, сети постоянная составляющая выходногоВеличина напряжения источника 1 с напряжения 01 первогоинтеграторабменьдатчика оперативного напряжения 2 пода- ше заданной величины А 1 первого порогово 3го элемента 20, т.е. ОА 1. При выполнении этого условия на выходе первого порогового элемента 20 формируется команда, препятствующая включению выходного исполнительного блока 38, и выдается информация на блок индикации 15 о наличии аварийного режима. Силовой источник 37 при этом не включается.При отсутствии короткого замыкания в силовой сети выполняется условие О 1А и сигнал на выходе первого порогового элемента 20 отсутствует. На этом заканчивается процесс измерения сопротивления жил силовой сети и контроль наличия короткого замыкания в обесточенном состоянии сети и может осуществляться работа электро- привода в рабочем режиме,В рабочем режиме с помощью первого делителя напряжений 22 выполняется операция деления напряжений Олг с выхода второго элемента ПАМЯТЬ 9, соответствующего среднему значению величины оперативного напряжения и напряжения Оп с выхода первого элемента ПАМЯТЬ 8. В результате на его выходе Формируется сигнал Оо 1, пропорциональный суммарному сопротивлению В 1 жил силовой сети, ключа 5 и диода О оперативному току, т.е.Оц, -=КгйОщ(Кг - коэффициент пропорциональности).С помощью первого сумматора 25 из суммарного сопротивления Й вычитаются значения сопротивлений В кг ключа 5 в открытом состоянии и диода В ор в проводящем состоянии, величины которых установлены в первом блоке задания уставок 27.Сигнал на выходе первого сумматора 25 О с 1 пропорционален сопротивлению жил силового кабеля Йс, т.е.О с 1- Кз(Й- В кг - ВОО) = Кзйс (4)(Кз - коэффициент передачи сумматора),С помощью второго делителя напряжений 23 вычисляется уставка срабатывания устройства защиты от токов короткого замыкания 1 к. пь, соответствующая действующему напряжению в силовой сети в рабочем режиме Он и короткому замыканию в наиболее удельной точке сети, т.е.1 к.з.вп К 4Он(К 4 - коэффиц 14 ент передачи делителя 23). Величина Он снимается с датчика сетевого напряжения 35 и усредняется за времятг с помощью четвертого интегратора 19.Значение Он подается на входы второго и5 третьего делителей напряжений с выходачетвертого интегратора 19,В элементе сравнения 30 производитсясравнение уставки срабатывания 1 к.з,ви,рассчитанной во втором делителе напряже 10 ний 23, с величиной тока нагрузки 1 н, значение которого формируется на выходетретьего интегратора 18. При отсутствии короткого замыкания в контролируемой силовой сетин1 к.зап и на выходе элемента15 сравнения 30 сигнал отсутствует. При возникновении короткого замыкания в сети выполняется условие1 Н1 к з.в 1 п (6)и на выходе элемента сравнения 30 форми 20 руются команда на отключение выходногоисполнительного блока 38 и сигнал в блокиндикации 15.В результате силовой источник 37 обесточивается.25 Также в рабочем режиме с помощьюперемножителя 29 и второго блока уставок28 вычисляется емкостная составляющаясопротивления утечки силовой сети Хс в соответствии с формулой30 В Хкм(7)Вкмгде Хкм и Йкм - километрические значенияемкостного и омического сопротивленийжил силового кабеля, значения которых для35 конкретного типа кабеля известны и заносятся во второй блок задания уставок 28.С помощью третьего делителя напряжений 24 вычисляется комплексное сопротивление утечки в силовой сети Йу в40 соответствии с формулойВу= (8)1 угде 1 у - ток утечки, значение которого подается на второй вход делителя 24 с выхода45 второго интегратора 7,В квадраторах 31 и 32 вычисляютсяквадраты величин Хс и Йу, Во втором сумматоре 26 вычисляется квадрат активной составляющей сопротивления утечки Йд всоответствии с формулойЙа =Йу -Хс. (9)С помощью блока извлечения квадратного корня 33 вычисляется активная составляющая сопротивления утечки В в силовойсети, равная Йа= Йу -Хс (10) С помощью второго порогового элемента 21 величина активной составляющей со10 1656624 О. Мура ргентал оставител хред М.М рректор И, Муска дактор В. Фельдма каз 2311 Тираж 390 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 1 противления утечки В сравнивается с уставкой защиты от утечек Вуст, величина которой равна порогу срабатывания второго блока уставок 28, при выполнении условия 5 ВаВустна выходе порогового элемента 21 формируется команда на отключение выходного исполнительного блока 38 и сигнал в блокиндикации 15, 10В результате силовой источник 37 отключается и в блоке индикации фиксируетсяпричина аварийного отключения,При отсутствии аварийных ситуаций выходной исполнительный блок 38 обеспечивает управление силовым источником 37 исоответственно режимом работы двигателяв соответствии с заданными законами,Таким образом данное техническоерешение позволяет контролировать возникновение аварийных режимов в электрической сети горных машин срегулируемым приводом - короткие замыкания и утечки на землю.Повышение точности защиты от утечек 25тока при изменении емкости сети обеспечивается эа счет введения алгоритма точного вычисления активной составляющей сопротивления утечки в силовой сети - в соответствии с формулой (1 О). Указанный алгоритм вычисления позволяет автоматически компенсировать емкостную составляющую тока утечки независимо от емкости сети, Это свойство предлагаемого технического решения позволяет расширить область применения регулируемых электроприводов постоянного тока. Формула изобретения Устройство для защиты электрической сети от повреждений по авт.св, М 1573497, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности защиты от утечек тока на землю при изменении емкости сети, дополнительно введены два квадратора и блок извлечения квадратного корня, причем выход перемножителя подключен через последовательно соединенные первый квадратор, второй сумматор и блок извлечения квадратного корня к входу второго порогового элемента, а выход третьего делителя напряжений через второй квадратор соединен с вторым входом второго сумматора.