Устройство для дифференциальной защиты

СОЮЗ СОВЕТСНИХОСПЭалаумчеп 1 ИПРЕСПУБЛИН 3(511,Н 02 Н 3/28 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(72) Л.В. Багинский и И.П. Тимофеев (7) Новосибирский электротехнический институт(56) 1. Авторское свидетельство СССР В 402414, кл. н 02 Н 3/28, 1971,2. Авторское свидетельство СССР Р 311330, кл. Н 02 Н 3/28, 1969.3. Авторское свидетельство СССР 9. 729218, кл. Н 02 Н 3/28, 1977. (54)(57) 1, УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗЩИТЫ,содержащее блок датчиков тока, одни концы вторичных обмоток которых объединены, а другие присоединены к многоплечевому диод- ному полумосту, катоды и аноды диодов которого объединены и подключены к двухплечевой схеме сравнения со средней точкой, фазный орган, соединенный с выходом схемы сравнения через выпрямитель, пускевой орган, включенный между общей точкой вторичных обмоток датчиков тока и средней точкой схемы сравнения, первый логический элемент И, первый и второй входы которого соединены с выходом Фазного и пускового органов, а выход - с входом выходного органа, о т л и ч а ю -щ е - е с я тем, что, с целью повышения селективности защиты при внешних повреждениях, дополнительно введены два компаратора, второй элемент И, расширитель импульсов, инвертор, блок дифференцирования, формирователь сигналов запрета, дифференциальное сопротивление нагрузки, при этом последнее включено последовательно, с пусковьм органом между общей точ-, кой вторичных обмоток датчиков тока и средней точкой схемы сравнения, причем средняя точка схемы сравнения соединенная с одним концом дифференциального сопротивления нагрузкиЯО 1019538 заземлена, а катоды и аноды многоплечевого диодного полумоста соединены с иеинвертирующим и инвертирующимвходами первого и второго компараторов соответственнопричем инвертирующий вход первого компаратора и неинвертирующий вход второго компаратораявляются их управляющими входами, выходы компараторов соединены с входамивторого элемента И, выход котЬрогосвязан с входом расширителя импульсови выходом Формирователя сигналов запрета, выход расширителя импульсовсоединен с входом инвертора и управляющим входом второго компаратора,а управляющий вход первого компаратора связан с выходом инвертора и тре- Е тьим входом первого логического элемента И,незаземленный конец дифференциального сопротивления нагрузки соединен с входом блока дифференцирования, выход которого соединен с входом формирователя сигналов запрета. Я2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что формирова- Фаий тель сигналов запрета содержит трети фана. и четвертый компараторы, три диода, нагрузочный резистор, конденсатор файф" и второй инвертор причем вход формирователя сигналов запрета соединен с неинвертирующим входом третье- СЛ го и инвертирующим входом четверто- фф го компаратора, при этом инвертирующий вход третьего компаратора предназначен для подключения к плюсовому зажиму источника опорного напряжения, а неинвертирующий вход четвертого компаратора - для подключения к .минусовому зажиму источника опорного напряжения, выходы третьего и четвертого компараторов подключеныканодам двух диодов, катоды которых объединены в общую точку с входом второго инвертора, одним концом нагрузочного резистора и конденсатора, другие концы которых заземлены, вы1019538 ход второго инвертора соединен с катодом третьего диода, анод которого Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для защиты сборных шин электростанцИЙ и подстанций, ошиновок силовых трансФорматоров и автотрансформаторов, 5 высоковольтных электродвигателей и синхронных компенсаторов.Известно устройство для дифферен;циальной защиты шин, содержащее группу параллельно включенных выпрями тельных полумостов, тормозные и рабочие сопротивления,"реагирующий ор ган, причем тормозной сигнал, пропорционален абсолютному значению положительных или отрицательных полуволн токов присоединений С 1 г.Недостатками данного устройства являются низкая селективность и быстродействие в переходных режимах работы, а также снижение чувствительности к внутренним замыканиям при наличии вытекающих токов нагрузки.Известно также устройство для дифференциально-фазной защиты, содержащее нелинейные датчики тока, схему преобразования входных величин, схему 5 сравнения на резисторах, шунтированных стабилитронами и присоединенный к ней через емкости реагирующий орган, и обладающее более высокой селективностью в переходных режимах 123.30Однако это устройство не может обеспечить селективность действия защиты в переходных режимах внешнего короткого замыкания в условиях пре". дельно искаженной информации от транс Форматоров тока.Наиболее близким к предлагаемому является устройство для дифференциально-фазной защиты сборных шйн, содержащее датчики тока, включенные в каждое 40 плечо защиты, многоплечевой диодный полумаст, присоединенную к нему двух- плечевую схему сравнения на резисторах и стабилитронах, Фазный орган, связанный со схемой сравнения через 45 выпрямительный мост, логический блок И, два входа которого соединены с выходами пускового и фазного органов, два формирователя входных логических сигналов, блок запрещения и разрешения срабатывания, блок временной за держки и два логических элемента И-НЕ,Известное устройство отстрОено от внешних коротких замыканий"при глубоких насьпцениях трансформаторов тока путем использования признака "идеальной" трансформации трансформаторов является выходом формирователя сигналов запрета. тока до момента насыщения сердечника в первой полуволне переходного процесса 3.Однако если трансформатор тока работает в области средних"индукций возможна ложная выдача разрешающего на срабатывание загциты сигнала. Кроме того, при глубоких насыщениях трансформаторов тока, напряжение на входе формирователя логического сигнала может оказаться недостаточным для его запуска (особенно в случае, если вследствие развития системы кратность тока короткого замыкания превысила предельную для трансформатора тока, и блокирующий сигнал не будет вырабатываться именно тогда, когда погрешность трансформатора тока максимальна. Все это существенно снижает отстроенность защиты в режимах внешних коротких замыканий при работе трансформаторов тока как при глубоких насыщениях, так и в области средних индукций.Целью изобретения является повышение селективности защиты при внешних повреждениях при сохранении высокого быстродействия в различных режимах внутренних коротких замыканиях.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для дифференциальной защиты, содержащее блок датчиков тока, одни концы вторичных обмоток которых объединены, а другие присоединены к многоплечевому диодному полумосту, катоды и аноды диодов готорого объединены и подключены к двухплечевой схеме сравнения со средней точкой, фазный орган, соединенный с выходом схемы сравнения через выпрямитель, нусковой орган, включенный между общей точкой вторичных обмоток датчиков тока и средней точкой схемы сравнения, первый логический элемент И, первый и второй входы которого соединены с выходом фазного и пускового органов, а вы" ход - с входом выходного органа, дополнительно введены два компаратора, второй элемент И, расширитель импульсов, инвертор, блок дифференцирова-, ния, Формирователь сигналов запрета, дифференциальное сопротивление нагрузки, при этом последнее включено последовательно с пусковым органом между общей точкой вторичных обмоток датчиков тока и средней точкой схемысравнения, причем средняя точка схемы сравнения, соединенная с одним концом дифференциального сопротив-. ления нагрузки, заземлена, е катоды и аноды многоплечевого диодного полу- моста соединены с неинвертирующим и -инвертирующим входами первого и второго компараторов соответственно, причем инвертирующий вход первого компаратора и неинвертирующий вход второго сомпаратора являются их управляющими входами, выходы компараторов соединены с входами второго элемента И, выход которой связан с входом расширителя импульсов и выходом формирователя сигналов запрета, выход расширителя импульсов соединен с.входом инвертора и управляющим входом второго компаратора, а управляющий вход первого компаратора связан с выходом инвертора и третьим входом 20 первого логического элемента И, неэаэемленный конец дифференциального сопротивления нагрузки соединен с входом блока дифференцирования, выход которого является входом формиро вателя сигналов запрета, при этом формирователь сигналов запрета содержит третий и четвертый компараторы, три диода, нагрузочный резистор, конденсатор и второй инвертор, причемзО вход Формирователя сигналов запрета соединен с неинвертирующим входом третьего и инвертирующим входом четвертого компаратора, при этом инвертирующий вход третьего компаратора предназначен для подключения к плю 35 совому зажиму источника опорного напряжения, а неинвертирующий вход четвертого компаратора - для подклю-. чения к.минусовому зажиму источника опорного напряжения, выходы третве О го и четвертого компараторов подключены к анодам двух диодов, катоды которых объединены в общую точку с входом инвертора, одним концом нагруэочного резистора и конденса 45 тора, другие концы которых заземлены выход второго инвертора соединен с катодом третьего диода, аиод которого является выходом формирователя сигналов запрета.На фиг.1 изображена структурная схема устройства защиты; на фиг.2 и 3, приведены осциллограммы, токов и напряжений в цепях устройства защитты при внешнем и при внутреннем коротких замыканиях со сдвинутыми по фазе токами.На фиг.2 и 3 обозначены +т,7 т- вторичные токи трансформаторов тока защищаемого объекта, поступающие во входные цепи устройства защиты. 6 О1 с - ток в дифференциальной цепи устройства защиты, образованной между общей точкой вторичных обмоток датчиков тока и средней точкой схемы сравнения, 65,30 п - начальный ровень запускакомпараторов 11 и .12;сниженный после фиксацииййрежима внешнего короткогозамыкания уровень запускакомпараторов 11 и 12,цщ - уровень запуска компараторов18 и 19а также сигналы на выходах соответствующих блоков устройства.Устройство защиты используется для защиты сборных шин 1, которые могут иметь несколько присоединений с линейными трансформаторами тока.Устройство защиты содержит блок 2 датчиков тока, одни концы вторичных обмоток которых объединены, а другие присоединены к многоплечевому диод- ному полумосту 3, катоды и аноды диодов которого объединены и подключены к двухплечевой схемесравнения со средней точкой 4. фазный орган 5 соединен с выходом схемы 4 сравнения через выпрямитель 6. Пусковой орган 7 включен между общей точкой вторичных обмоток датчиков тока и средней точкой схемыс 4 сравнения, Первый логический эле. мент И 8, первый и второй входы которого соединены с выходами Фазного 5 и пускового 7 органов, по,ключен к входу выходного органа 9. Дифференциальное сопротивление нагрузки 10 включено последовательно с пусковым органом 17 между общей точкой вторичных обмоток датчиков тока и средней точкой схемы 4 сравнения, причем средняя точка схемы 4 сравнения соединена с одним концом дифференциального сопротивления нагрузки 10 и заземлена. Неинвертирующий вход первого компаратора 11 соединен с катодами,а инвертирующий вход второго компаратора 12 - с анодами многоплечевого диодного полумоста 3, причем инвертирующий вход первого компаратора 11 и неинйертирующий вход второго компаратора 12 являются их управляющими входами. Входы второго элемента и 13 соединены с выходами компараторов 11 и 12, а выход - со входом расширителя 14 импульсов и с выходом формирователя 15 сигналов запрета, Выход расширителя 14 импульсов соединен со входом первого инвертора 16 и управляющим входом второго компаратора 12. Выход инвертора 16 подключен к управляющему входу первого компаратора 11 и к третьему входу первого логического элемента И ь. Вход блока 17 дифференцирования соединен с незаземленным концом дифференциального сопротивления 10, а выход - со входом формирователя 15 сигналов запретаВход формирователя 15 сигналов запрета соединен с неинвертирующим входом третьего компаратора 18 и инвертирующим входом четвертого компаратора 19, причем на инвертирующий вхОд третье 1019538го компаратора 18 подается положи" тельное опорное напряжение, а на инвертирующий вход четвертого компаратора 19 - отрицательное, Выход третьего компаратора 16 подключенк аноду 5 первого диода 20, выход четвертого компаратора 19 - к аноду второго диода 21, катоды диодов 20 и 21, объединены н общую точку со входом второго инвертора 22 и с одним концом резистора 23 и конденсатора 24, другие концы которых заземлены. Выход второго инвертора 22 соединен с катодом третьего диода 25, анод которого является выходом формирователя 15 сигналов запрета. 15Устройство работает следующим образом.Сигналы от блокадатчиков тока первичные обмотки которых подключены к трансформаторам тока плеч защиты, 2 О разделяются по знакуполупериода .с помощью многэплечевого диодного полумоста 3 и поступают на вход схемы 4 сравнения.При внутренних коротких замыка ниях в течение каждого периода обтекаются током попеременно оба резистора схемы 4 сравнения и, если напряжение на стабилитронах схемы 4 ,сравнения не превышает напряжения ЗО стабилизации, то по сопротивлению нагрузки схемы 4 сравнения и в пусковом органе 7 протекает переменный ток. Если напряжение на стабилитронах схемы 7 сравнения превышает напряжение стабилизации, то часть тока шунтируется стабилитронами, и по сопротивлению нагрузки схемы сравнения протекает переменный ток с ограниченной амплитудой. Защита сработает, если сработает фазный 5 и пусковой 4 О 7 органы и на третьем входе первого логического элемента И 8 будет сигнал высокого уровня. Время срабатывания защиты составляет 3-3,5 мс и опре" деляется углом блокировки фазного 45 органа 5. При внешнем коротком замыкании или нормальном режиме одновременно существуют токи положительной и отрицательной полярности и, если трансФорматоры тока и датчики тока 50 работают без погрешности, сигналы на входе фазного 5 и пускового 7 органов равны нулю. Следует заметить, что по цепи пускового органа в такой схеме протекает дифференциальный ток, 55В переходном режиме внешнего короткого замыканйя один из трансформаторов тока (как правило - трансформатор тока поврежденного присоединения) обычно насыщается. Током обтекаются 0 оба плеча схемы 4 сравнения (при насы-, щении трансформатора токахотя бы кратковременно). При этом в начале каждой полуволы, совпадающей по знаку с апернодической слагающей, Я ток небаланса содержит практическиапериодическую слагающую, а периодическая слагающая близка к нулю. Поэтому производная от тока небалансав эти моменты времени также близкак нулю,Сигналы с плеч схемы 4 сравненияподаются на компараторы 11 и 12,положительный (относительно среднейточки, которая для этого заземлена)на неинвертирующий вход компаратора11, отрицательный - на инвертирующийвход компаратора 12. Уровень запускапоследних 3 о"отстроен от напряженияна плечах схемы сравнения при номинальном сквозном токе.Поскольку напряжения на обеихплечах схемы сравнения появятеяодновременно, компараторы 11 и 1также срабатывают одновременно и навходах второго элемента И 13 появляются потенциалы высокого уровня,что является одним из признаков внешнего короткого замыкания. Посколькув начале периода ни один из трансформаторов тока еще не насыщен, ток вдифференциальной цепи отсутствует,и сигнал с.выхода элемента И 13подается на вход расширителя 14 имчпульсов, где он удлиняется до 1820 мс. Напряжение логической "1" свыхода расширителя 14 импульсов подается на вход первого инвертора 16. При этом напряжение логического "О" с выхода инвертора 16 подается на третий вход первого элемента И 8, предупреждая неселективное срабатывание защиты при ложном действии фазного 5 и пускового 7 органов. Вследствие снижения напряжения на управляющем входе первого компаратора 11, связанного с выходом первого инвертора 16. и повышения положительного напряжения на управляющем входе второго компаратора 12, связанного с выходом расширителя 14 импульсов, производится снижение уровня запуска обоих компараторов 11 и 12. таким образом, в последующих периодах, когда вследствие насыщения трансформаторов тока сигналы на плечах схемы сравнения значительно уменьшаются, Формирование сигналов на входах второго элемента И 3 производится на низком уровне, чем обеспечивается устойчивый запуск логической части схемы в последующих за первым периодах переходного процесса. В режиме внешнего короткого замыкания при работе трансформатора тока в области средних индукций для отстройки от небаланса на предполагаемом участке "идеальной" трансформации в последующих после первого периодах переходного процесса, а также для идентификации режима внутреннего короткого замыкания со сдвинутымипо фазе токами используется. производная дифференциального тока,Напряжение с сопротивления 10подается на вход блока.17 дифференцирования, с выхода которого сигнал,пропорциональный производной дифференциального тока, подается наинвертирующий и.неинвертирующийвходы двух компараторов 1 а и 19, формирующих на определенном. уровнеиз разнополярного сигнала положительные импульсы. Выходы компараторов18 и 19 соединены по схеме ИЛИ диоды 20 и 21), В исходном состоянииили при отсутствии дифференциальноготока на выходе обоих компараторов 1518 и 19 будет отрицательное напряжение и на выходе второго инвертора22, вход которого соединен с катодами диодов 20 и 2 х, имееы потенциалвысокого уровня. Таким образом,20третий диод 25, катод которого подклю.чен к выхОду инвертора 22, а анодявляется выходом Формирователя 1 ьсигналов запрета, закрыт и шунтирования сигналов с выхода второго эле- р 5мента И 13 не происходит.В режиме внутреннего короткогозамыкания со сдвинутыми по Фазе токами (фиг.3) в течение времени совпадения сигналов на входах второгоэлемента И 13 на выходе компаратора30.18 и 19 будет потенциал высокогоуровня, а на выходе второго инверто-ра 22 - низкого. Поэтому сигналыс выхода элемента .И 1 л шунтируютсяоткрытым диодом 25 и на вход расширителя 14 импульсов сигналы не поступают. Блокирования защиты логической частью в этом режиме не происхо-дит.В режиме внутреннего короткого 40замыкания при одностороннем питании или отеутствии сдвига по фазе.между токами компараторы 11 и 12 сра"батывают поочередно в каждой полуволне тока короткого замыкания и совпадения сигналов на элементе И 12 не будет.При внутреннем коротком замыкании с вытекающим:, током нагрузки, превы" шающим порог срабатывания 1 Зца компараторов 11 и 12 также будет совпадение сигналов на входах элемента-: И 13. Если взаимный угол между втекающим током короткого заикания и вытекающим током нагрузки близок к 180 а то в момент совпадения сигналов на входах элемента:.И 13 компараторы 18 и 19 кратковременно, возвращаются в исходное состояние. Однако задержка на возврат 4 резистор 23 и конденсатор 24 инвертора 22 в течение 1 - 1,б мс достаточна, чтобы на выходе инвертора 22 в этом режиме сигнал логического "0" был непрерывным.Поэтому сигналы с выхода элемента И 13 шунтируются через открытый диод и бло;, кирования защиты также не произойдет.Если в результате внешнего короткого замыкания возникнет короткое замыкание в зоне защиты, по той же Фазе, топри наиболее неблагоприятном моменте возникновения короткого замыкания в зоне возможна задержка в срабатывании защиты до 20 мс, обусловленная задержкой на возврат расширителя 13 импульсов. При коротком замыкании в зоне на другой Фазе время срабатывания обусловлено только углом блокировки фазного Органа.Таким образом, предлагаемое, устройство защиты обеспечивает по сравнению с известными устройствами, высокую отстроенность во всех возможных режимах внешнего короткого замыкания при сохранении высокого быстродействия в различных режимах внутреннегокороткого замыкания и может найти широкое применение для защиты шин и трансформаторов подстанций и электростанций.