Устройство для определения поврежденной фазы в трехфазной сети с изолированной нейтралью

О П И С А Н И Е 1 991544ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспубликОпубликовано 23.01.83 Бюллетень3 Дата опубликования описания 25,01.83 вв делам кэабреинкк и открытий) Заявите УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОВРЕЗ(ДЕННО ФАЗЫ В ТРЕХФАЗНОЙ СЕТИ С ИЗОЛИРОВАННОЙНЕЙТРАЛЬЮ го Изобретение относится к электротехнике и может быть Использовано как для защиты сетей от однофазных замыканий на землю, так и для защиты человека от поражения электрическим током путем шунтирования его бесконечно малым сопротивлением.Известны устройства для определения поврежденной Фазы, в которых используются реле минимального напряжения, включенные на Фазные напряжения питающего трансформатора, а также устройства, у которых в качестве элемента, чувствительного к однофазным замыканиям на землю, используется фильтр нулевой последовательности, управляющий работой пороговых элементов, реагирующих на повышение напряжения 1 1 и 2 1,Недостатком указанных устройств является низкая чувствительность, возможность ложного срабатывания на отстающей фазе при определенных знацениях емкостного и активного сопротивления фаз по отношению к земле. К их недостаткам следует также отнести инерционность пороговых элементов, определяющих бь 1 стродействие устройстваНаиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является устройство для определения поврежденной Фазы в трехфазной сети с изолированной нейтралью напряжением до 1000 В, в котором используются формирователи полупериодов Фазных напряжений Фаза- земля и фаза-нейтраль, элементы И и ИЛИ, инвертор, элемент памяти положительного знака угла и Формирователь запрещающего сигнала, соединенные таким образом, цто логическая обработка входных сигналов происходит с учетом естественного чередования Фаз путем Фиксации во времени знаков первых после момента повреждения двух углов, начиная с последнего 33.3 9915Недостатком известного устройства является то, что вследствие случайного характера появления момента по" вреждения фазы относительно периода синусоиды напряжения, возможны случаи увеличения промежутка времени для определения поврежденной фазы на одну треть периода (на случай, когда последовательно выделяются зна ки углов минус-плюс-плюс). Это ограничивает возможность использования указанного устройства, например для защиты человека от поражения электрическим током, и сужает диапазон электрических сетей по величине напряжения, в которых оно может быть применено.Целью изобретения является увеличение быстродействия устройства для определения поврежденной Фазы.Цель достигается тем, что устройство для определейия поврежденной фазы в трехфазной сети с изолированной нейтралью, содержащее по числу фаз три канала, каждый из которых включает в себя Формирователи полупериодов напряжений фаза-земля и фаза-нейтраль, элемент памяти положительного знака угла, инвертор, элемент ИЛИ, первый и второй элементы И и формирозо ватель запрещающего сигнала, дополнительно снабжено элементом И-ИЛИ-НЕ, дифференцирующей цепочкой, расширителем входного сигнала, элементом памяти отрицательного знака угла, дешифратором на трех элементах И и одном элементе ИЛИ, тиристорным ключом и третьим и четвертым элементами И, причем выходы формирователей полупериодов одной полярности напряжений фаза-нейтраль и фаза-земля соединены с соответствующими входами элемента И-ИЛИ-НЕ подключенного своим выходом к входам формирователя запрещающего сигнала, и двух элементов И, причем второй вход элемента И в цепи 4 напряжения фаза-земля соединен с выходом расширителя входного сигнала, вход которого соединен с выходом. элемента ИЛИ, а входы последнего через Дифференцирующую цепочку соединены с выходами формирователей полупериодов напряжения Фаза-нейтраль, а второй вход элемента И в цепи напряжения фаза-нейтраль соединен с выходом инвертора вход которого соединен с вы ходом расширителя входного сигнала, выходы формирователя запрещающего сигнала и обоих элементов И соединеЦЦ 4ны с соответствующими входами элементов памяти, причем выход элемента памяти положительного знака угла соединен с первыми входами первого и второго элементов И дешифратора своейФазы и вторым элементом И дешифратораотстающей фазы, вторые входы которыхсоединены с выходами элемента памятиотрицательного знака угла отстающейфазы и элементов памяти положительныхзнаков углов опережающей и отстающейфаз соответственно, выход элемента памяти отрицательного знака угла соединен с первыми входами третьего элемента И дешифратора опережающей фазы,вторые входы которых соединены с вь 1 ходами Формирователей отрицательногои положительного сигналов опережающейфазы и отрицательного сигнала отстающей Фазы соответственно, входы третьего элемента И дешифратора соединеныс выходами элементов памяти отрицательных знаков углов отстающей и опережающей Фаз, выходы всех элементовИ дешифратора соединены с входамиэлемента ИЛИ, выход которого соединен с входами третьего и четвертогоэлементов И, вторые входы которыхсоединены с выходами соответствующихформирователей полупериодов напряжения фаза-нейтраль, а выходы - с управляющими электродами тиристорногоключа.Для достоверного суждения о поврежденной фазе достаточно измерениязнаков двух первых по времени послемомента повреждения углов независимоот Фаз, в которых они зафиксированы,причем поврежденной фазе соответствует три сочетания знаков углов, фазв порядке их чередования, а именно:- минус в отстающей, минус в опережающей,независимо от чередования их во времени.Йа фиг. 1 приведена принципиальнаясхема устройства; на фиг. 2 - диаграммы напряжений, характеризующиеработу элементов схемы.Схема устройства содержит три канала, в каждом из которых формирователи 1 напряжения прямоугольной формы из синусоидальной на каждый полупериод, два - на фазное напряжениеотносительно нейтрали и два - на фаз5 9915 ное напряжение относительно земли попарно соединены с соответствующимивходами логической схемы И"ИЛИ-НЕ 2 для получения перепадов напряжения требуемой полярности, равных углам сдвига фаз указанных напряжении, ко" торце будут иметь место в случае повреждения (замыкания) любой из фаз на землю, либо в случае прикосновения человека к одной из фаз.16Выходы формирователей напряжения фаза-нейтраль подключены также на входы. двух дифференцирующих цепей 3, выходы которых через разделительную схему ИЛИ 1 подключены к входу расширителя - ждущего мультивибратора 5 с временем расширения входного сигнала до 0,25 длительности периода напряжения сети (90 эл.градусов). Выходы расширителя 5 и инвертора 6 соединены с.одними из входов логических элементов И 7 и 8, на вторые входы которых подключен выход элемента 2 для установления знака угла.Совпадение сигналов в схеме 7 сви детельствует о положительном, а совпадение сигналов в схеме 8 - об от.- рицательном значении угла. Выходы элементов 7 и 8 соединены каждый с одним из входов элементов 9 и 10 памяти, в качестве которых используются статические триггеры, включенные по схеме с разделенными входами. Вторые входы триггеров используются для обратного переключения триггеров по35 запрещающему сигналу с выхода формирователя 11 при исчезновении сигналов на выходах элементов 7 и 8 с выдержкой времени более 0,5 периода основной частоты. Триггер 9 Фиксирует по 40 ложительный знак угла между напряжениями фаза-нейтраль и фаза-запрет, а триггер 10 - отрицательный.формирователи запрещающего сигнала в каждом канале состоят из после"45 довательно соединенных генератора 12 пилообразного напряжения и элемента 13 сравнения - балансного диодно-регенеративного компаратора, Генератор 12 переключается сигналами с выхода элемента 2. На второй вход схемы 13 сравнения подается напряжение уставки, величина которого выбарается исходя из требуемой выдержки более 0,5 периода..Выходы элементов 9 и 19 памяти знаков соединены с входами логических элементов И 1 ч дешифратора 15 таким образом, что в канале каждой фаЦЦ 4зы включено по три элемента И, причем выходы одного из них соединеныс выходом элемента памяти положительного угла своей фазы и с выходом эле"мента памяти отрицательного знакаугла отстающей фазы, входы другогос выходами элементов памяти положительного знака угла своей и опережающей фаз, а входы третьего элемента И - с выходами элементов памятиотрицательного знака угла опережаю"щей и отстающей фаз. Выходы элементов 111 в канале каждой фазы соединены с входами логического элемента ИЛИ16, появление сигнала на выходе которого свидетельствует о наличии по"вреждения в соответствующей фазе..Выходы элементов 16 в канале каждой фазы соединены с входами двухсхем И 17, на вторые входы которыхподается опорное напряжение фаза-нейтраль с выходов формирователя 1. В ка"честве схем И в данном случае используются потенциально-импульсные схемы,причем на импульсные входы подаетсянапряжение Формирователей 1, а напотенциальные входы - сигналы с выхода элементов 16. Выходы элементов 17подключены к входам усилителей 18мощности сигнала управления тиристорами 19 трехфазного коммутатора,обеспечивающего замыкание поврежденной фазы на землю. Наличие в схемеусилителей мощности зависит от типазадействованных в ней тиристоров.В формирователе запрещающего сиг-.нала ганератор пилообразного напряжения не переключается, напряжениена его выходе имеет установившеесязначение, превышающее по абсолютномузначению величину напряжения уставки (Фиг. 2 х), что обеспечивает непрерывную подачу импульсов (фиг. 2 ц)на входы элементов 9 и 1 О памяти дляподдержания их в исходном состоянии.Из-за отсутствия сигнала на одномиз входов элементов 17, подача синхронизирующих сигналов от формирователей 1 на усилители 18 мощностине происходит и тиристоры 19 не коммутируются.Допустим, что в момент времениприкосновения 11, например к фазе В,соотношение активных и емкостныхпроводимостей таково, что фазовоесмещение напряжения фаза-земля относительно напряжения фаза-нейтральбудет в опережающей фазе положительным, в фазе прикосновения смещениепериода его амплитуда не превышает напряжения уставки на соответствующем входе элемента 13 сравнения (фиг. 2 х). Условия возбуждения в элементе 13 не выполняются и он не генерирует сигналы, используемые для возврата элементов 9 и 10 памяти в исходное положение (Фиг. 2 ц).На фиг. 2 х приведена диаграмма напряжений, иллюстрирующая работу цепи отбоя в канале фазы В. В каналах двух других фаз работа схемы формирователя запрещающего сигнала и диаграмма напряжения аналогичны.При исключении причин, вызвавших срабатывание устройства, подается сигнал сброса на элементы 18, запрещающий генерирование импульсов управления тиристорами 19. При этом, в случае восстановления совпадения фаз напряжений фаза-нейтраль и Фаза-земля, начиная с момента времени й, прекращается образование сигналов на выходах элементов 2 в начале каждой фазы (Фиг, 2 к,п,м). Пилообразное напряжение на выходе элемента 12 достигает уровня насыщения, превышающего напряжение уставки, что, в свою очередь, вызывает генерирование непрерывной последовательности импульсов (фиг. 2 ц) на выходе элемента 13, что, в конченом итоге, вызывает переключение элементов 9 и 10 памяти в исходное состояниеПредлагаемое устройство повысит эффективность защить 1 человека от поражения электрическим током в сетях с изолированной нейтралью напряжением до 10 кВт при сохранении требуемой бесперебойности снабжения потребителей. Формула изобретения Устройство для определения поврежденной фазы. в трехфазной сети с изолированной нейтралью, содержащее по числу Фаз три канала, каждый из которых включает в себя формирователи полупериодов напряжений фаза-нейтраль и фаза-земля, элемент памяти положительного знака угла, инвертор, элемент ИЛИ, первый и второй элементы И и формирователь запрещающего сигнала, о т л и ч а ю .щ е е с я тем, что, с целью увеличения быстродействия, оно дополнительно снабжено элементом И-ИЛИ-НЕ, дифференци 7 991544 . 8всегда положительно, а в отстающейвсегда отрицательно,На фиг. 2 а,б,в новое положениекривых напряжений фаза-земля показанпунктиром. Напряжения на выходе соответствующих формирователей также получат смещения (фиг. 2 г,д,е,ж,з,и).На фиг. 2 для упрощения напряженияформирователей отрицательных полупериодов опущены. На выходе элемен Отов 2, начиная с первого после момента 1 прохода синусоид фазных напряжений через нуль, появятся сигналы,соответствующие по фазовому положению и равные по ширине углам сдвигафаз напряжений (фиг. 2 к,л,м), которые непосредственно подаются навходы элементов 7 и 8. С другой стороны напряжения фаза-нейтраль послесоответствующих преобразований вэлементах 3-6 (Фиг. 2 и,о) также подаются в элементы 7 и 8.Совпадение сигналов в элементах 7или 8 приводит к переключению триггера 9, фиксирующего положительныйзнак угла, или триггера 10, фиксирующего отрицательный знак угла. Вуказанном случае (прикосновение кфазе В) произойдет переключение триггера 9 (фаза А) и (фаза В) и триггера 10 (фаза С) соответственно(фиг. 2 и,р,с) , Как следует из сопостайления передних Фронтов сигналов (Фиг. 2 и,р.с) в организации сигнала, указывающего фазу прикоснове 35ния, участвуют элементы памяти 9,1 О, 14 и 16 (на Фиг. 1 заштрихованы),Появление разрешающего сигнала навыходе элемента ИЛИ 16 в канале фазы В (фиг. 2 т) обеспечивает генерирование импульсов управления тиристорами 19 (Фиг. 2 у,ф) в соответствии с синхронизирующим напряжением,подаваемым на элементы 17 с выходаформирователя 1 напряжения фаза-нейт 45раль Фазы В. Тиристоры 19, переклю. -чаясь каждый полупериод, обеспечиваютзамыкание фазы В на землю, шунтируячеловека, прикоснувшегося к фазе.В схеме формирования запрещающегосигнала, начиная с появления первого50сигнала на выходе элемента 2, происходит сброс уровня установившегосянапряжения на выходе генератора 12 ив последующем генерирование пилообразного напряжения с частотой следования управляющих сигналов, причемкрутизна пилообразного напряжения подобрана такой, что в течение полу99151 рующей цепочкой, расширителем входного сигнала, элементом памяти отрицательного знака угла, дешифраторомна трех элементах И и одном элементеИЛИ, тиристорным ключом и третьим ичетвертым элементами И, причем выходы формирователей полупериодов однойполярности напряжений фаза-нейтральи фаза-земля соединены с соответст"вующими входами элемента И-ИЛИ-НЕ, 0подключенного своим входом к входамФормирователя запрещающего сигнала,и двух элементов И, причем второйвход элемента И в цепи напряженияфаза-земля соединен с выходом расши Зрителя входного сигнала, вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ,а входы последнего через дифференцирующую цепочку соединены с выходами формирователей полупериодов на- щпряжения фаза-нейтраль, а второй входэлемента И в цепи напряжения фазанейтраль соединен с выходом инвертора, вход которого соединен с выходом расширителя входного сигнала,. вы Зходы формирователя запрещающего сигнала и обоих элементов И соединеныс соответствующими входами элементовпамяти, причем выход элемента памятиположительного знака угла соединен Эрс первыми входами первого и второгоэлементов И дешифратора своей Фазыи вторым элементов И дешифратора отстающей фазы, вторые входы которых 4 10соединены с выходами элемента памятиотрицательного знака угла отстающейфазы и элементов памяти положительных знаков углов опережающей и отстающей фаз соответственно, выходэлемента памяти отрицательного знакаугла соединен с первыми входами третьего элемента И дешифратора опережающей фазы, вторые входы которых соединены с выходами формирователей отрицательного и положительного сигналов опережающей фазы и отрицательногосигнала отстающей фазы соответственно, входы третьего элемента И дешифратора соединены с выходами элементовпамяти отрицательныхзнаков углов отстающей и опережающей фаз, выходывсех элементов И дешифратора соединены с входами элемента ИЛИ, выходкоторого соединен с входами третьегои четвертого элементов И, вторые входы которых соединены с выходами соответствующих формирователей полупериодов напряжения фаза-нейтраль, а выходы - с управляющими электродамитиристорного ключа,Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1., Патент Японии Н ч 8-М 300,кл. 4(2)-53(93), 1973,2. Авторское свидетельство СССРй 600647 кл. Н 02 Н 3/16, 1976.3. Авторское свидетельство СССРМ 881928, кл. Н 02 Н 3/16, 1980Ю ип Филиал каз 158/ Патент" ираж 615 Подписн жгород, ул. Проектная,