Устройство для защитного отключения изолированной от земли электрической сети

(21 (22 46 ЛЯ ЗАЩИТНОГО ОТКЛЮОЙ ОТ ЗЕМЛИ ЭЛЕКТапряжение множи роме постоянной к област относи частности к усто отключения элект и поврежден новении люд х т ль изобретенияункционирования ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ РСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ( ) 23,04.88, Бюл. Кф 15 (71) Ташкентский политехнический институт им, А.Р. Бируни и Алмалыкский горно-металлургический комбинат им. В,И. Ленина(56) Авторское свидетельство СССР У 543076, кл, Н 02 Н 3/17, 1975.Авторское свидетельство СССР Р 1198635, кл, Н 02 Н 3/17, 1984,(54) УСТРОЙСТВО Д ЧЕНИЯ ИЗОЛИРОВАНН РИЧЕСКОЙ СЕТИ (57) Изобретение электротехники, в ройствам защитног рических сетей пр изоляции и прикос коведущим частям. повышение точност,Я 01 90687 защиты, а также снижение фазовой погреыности и повышение быстродействия защиты. Выходное напряжение полосового Фильтра 6 поступает на вход блока 13 автоматического регулирования выходного напряжения источника оп ртивного тока, где оно сравниваетсяс эталонным напряжением. Разностьэтих напряжений воздействует черезсистему управления на источник 2 оперативного тока, чем обеспечиваетсястабилизация напряжения на емкостизащищаемой сети и, следовательно, независимость активной составляющейоперативного тока от величины этой емкости. Выходное нтельного блока 9, ксоставляющей, содержит также и переменную составляющую, которую Фильтрует Фильтр 10 нижних частот. Пороговый элемент 11 реагирует на определенное значение постоянного напряжения и при помощи блока 12 отключенияотключает защищаемую сеть, 3 з,п.Ф лы 3 илеИзобретение относится к устройствам для защитного отключения изолированных от земли электрических сетей переменного и постоянного тока, а также комбинированных сетей перемен- но-постоянного тока при снижении со" противления их изоляции, в том числе при прикосновении человека к токоведущим элементам сети. 10Цель изобретения - повышение точности Функционирования защиты, а так" же снижение фазовой погрешности и повышение быстродействия защиты.15На фиг,1 приведена Функциональная .схема предлагаемого устройства нафиг.2 - схемы источника оперативноготока и блока автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока, на фиг.3 - диаграммы напряжений элементов схемыустройства, поясняющие его работу.Устройство содержит последовательно соединенные фильтр 1 присоединения,25источник 2 оперативного тока и резисторный шунт 3, включенные между защищаемой сетью 4 и землей 5, два полосовых фильтра 6 и 7, Формирователь8 прямоугольного напряжения, множи- ЗОтельный блок 9, фильтр 10 нижнихчастот, пороговый элемент 11, блок12 отключения защищаемой сети, блок13 автоматического регулированиявыходного напряжения источника оперативного тока, резистором 14 обозначеноактивное сопротивление К изоляциисети, а конденсатором 15 - емкость Ссети,Схема источника 2 оперативного 40тока (фиг,2) содержит трансформатор16, транзисторы 17 н 18 и-р-п-типаи транзистор 19 р-п-р-типа, диод 20,резисторы 2.1-24 и источник 25 постоянного напряжения. 45Блок 13 автоматического регулирования выходного напряжения источникаоперативного тока содержит формирователь 26 импульсов промышленной часы узел 27 выпрямлення фильтрнижних частот счетный триггер 29,логические элементы И-НЕ 30 и 31,логический элемент НЕ 32 и узел 33регулируемой временной задержки. Последний содержит логический элементИ-НЕ 34, логический элемент НЕ 35,конденсатор 36, регулирующий транзистор 37, резисторы 38 и 39 и источник40 постоянного напряжения смещения. Устройство работает следующим образом.Выходное напряжение источника 2оперативного тока имеет прямоугольную Форму и основную частоту, которая вдвое меньше промышленной частоты, т.е, равна 25 Гц. Такое напряжение прямоугольной формы содержиттолько нечетные гармоники (75,125,175 и т.д,) одна из которых исполь"Узуется в качестве напряжения оперативного тока (например, гармоника,имеющая частоту 75 Гц). На частотуэтой гармоники настраиваются полосовые Фильтры 6 и 7, выходные сигналы которых имеют неискаженную синусоцдальную Форму выбранной для оперативного тока частоты, Так как первый полосовой фильтр 6 подключен между защищаемой сетью 4 и землей 5,его вьЫодное напряжение пропорционально падению напряжения Б на кон-.денсаторе 15 (т,е, на емкости Сзащищаемой сети),116 К 6 П Кб 12 Ц зплоСу (1)где К - коэффициент .передачи полосового фильтра 6 на резонансной частоте;Б - действующее напряжение наемкости С защищаемой сети; и,=271, - круговая частота выбраннойгармоники оперативного напряжения.ФСинусоидальное напряжение с выхода фильтра 6 преобразуется формирователем 8 в прямоугольное напряжение, описываемое уравнением-Б, Тисцгде Б - некоторое постоянное напряжение,Второй полосовой фильтр 7 подключен к резисторному шунту 3, имеющемусопротивление К . Напряжение на шунте3 пропорционально току , равномусумме токов, протекающих через резистор 14 и конденсатор 15,Б, = К, 1. =42 1 К зз.п(сз,с+ср) (3) где у - угол сдвига токаотноси 9тельно напряжения П, .Напряжение на выходе полосового фильтра 71390687 Ц =Ц Ц йц,С = -"- ьЙи, -ЙЫТ =ЦКК 1 созел ы ч Так как активнаяка 1 1 ц = 1, созЮ составляющая то- О Ц = К= -21 К К,вп(ы,с+р),(4)где К - коэффициент передачи полосового фильтра 7 на резонанс 5ной частоте,среднее значение выходного напряжения множительного блока 9 можно пред.ставить2 Г 2 22 ЦЦ = -- ЦКК 1 совц ЦКК9 г н ю 91 , и и 1 рф(5) 20Выходное напряжение множительногоблока 9, кроме постоянной составляющей (5), содержит также переменнуюсоставляющую, которая це должна поступать на вход порогового элемента11. Поэтому между множительным блоком9 и пороговым элементом 11 включенФильтр 10 нижних частот (выполняющийФункцию сглаживающего устройства).30Пороговый элемент 11 реагирует на определенное значение постоянного напряжения и при помощи блока 12 отключения осуществляет отключение защи-,щаемой сети,Из выражения (5) видно, что выходное напряжение множительного блока 9и, следовательно, срабатывание защитного устройства зависит только отсопротивления Р изоляции защищаемойсети при условий, что напряжение Цв процессе эксплуатации остается неизменным. Стабилизация этого напряжения осуществляется при помощи блока13 автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока,Система автоматического регулирования работает следующим образом.Выходное напряжение полосовогоФильтра 6, пропорциональное напряжению Ц, поступает на вход блока 13,где оно сравнивается с эталоннымнапряжением. Разность этих напряжений, т,е, сигнал рассогласования,воздействует через систему управления на источник 2 оперативного тока,вызывая изменение его выходного на-пряжения до тех пор, пока напряжениеВ Выходное напряжение множительного блока 9 пропорционально произведению поступающих ца его входы напряжений Ц (2) и Ц (4), при этом среднее 8 значение выходного напряжения1 не станет равным заданному значению.Система автоматического регулирования выходного напряжения источникаоперативного тока может быть выполнена различными способами,На фиг.2 приведен пример конкретного выполнения схемы источника 2оперативного тока и блока 13 автоматического регулирования выходногонапряжения источника оперативного тока, Выходное напряжение источника2 прямоугольной формы получается путем поочередного подключения при помощи транзисторов 17-19 двух первичных полуобмоток трансформатора 16 кисточнику 25 постоянного напряжения.Регулирование выходного напряженияисточника 2 осуществляется путем изменения скважности его прямоугольныхимпульсов при помощи транзистора 19Транзисторы 17 и 18 обеспечивают поочередное подключение полуобмотоктрансформатора к источнику питания,а также служат для закорачивания этихполуобмоток на интервалах времени,когда транзистор 19 заперт, чтобы исключить появление выбросов напряжения ца обмотках трансформатора,Система управления транзисторами17-19 работает следующим образом,На вход формирователя 26 подается нанапряжение промьпцленной частоты(Фиг,З, диаграмма ц ), а на его выходе получаются узкие импульсы нулевого уровня (фиг,З, диаграмма Ц ).Эти импульсы поступают на вход счетного триггера 29, вызывая его периодическое переключение, и на входузла 33 регулируемой временной задержки. При поступлении очередноготакого импульса на вход логическогоэлемента И-НЕ 34 на его выходе появляется единичный сигнал, который через конденсатор 36 поступает на входлогического элемента НЕ 35. На выходе этого элемента при этом появляет 1 ся сигнал нулевого уровня, который, поступая на второй вход логическогоэлемента И-НЕ 34 поддерживает на его выходе единичный сигнал, Конденсатор 36 под действием выходного напряжения логического элемента И-НЕ 34 пос тепенно заряжается, причем скорость его заряда может регулироваться транзистором 37.По мере заряда конденсатора,36 напряжение на входе логического эле мента НЕ 35 снижает я, и при некотором его значении этот элемент, а вместе с ним и логический элемент И-НЕ 34, возвращается в исходное состояние (фиг.З, диаграммы напряжений 15 У и Б, на выходах элементов 34 и 35) . При появлении на выходе узла 33 регулируемой временной задержки (т,е, на выходе логического элемента НЕ 35) сигнала нулевого уровня от пирается транзистор 19 под действием тока, протекающего по цепи эмиттербаза этого транзистора - резистор 24- коллектор этого транзистора, При по" ложительном напряжении на выходе 25 узла 33 транзистор 19 запирается. Система управления транзисторами 17 и 18 построена на триггере 29 и логических элементах 30-32 так, что эти транзисторы большую часть периода 30 открыты и запираются по очереди лишь при отпирании транзистора 19. Работу этой части схемы поясйяют диаграммы выходных напряжений (фиг.З) триггера 29 Йгэ и Ц ) и логических элементов 30-32 039, Бэф ь 09 г)Величина временной задержки узла 33 и, следовательно, скважность прямоугольных импульсов выходного напряжения источника 2 регулируется при 40 помощи транзистора 37 на базу которого подаются два напряжения: напряжение смещения (эталонное напряжение) от источника 40 постоянного напряжения смещения и напряжение с выхода первого полосового Фильтра 6, предварительно вьпряменное при помощи узла 27 выпрямления и отфильтрованное фильтром 28 нижних частот Если на пряжение на выходе полосового Фильтра 6 по какой-либо причине возраста" ет это приводит к увеличению выпряммйленного напряжения на выходе узла 27 и тока перехода база"эмиттер транзис". тора 37, Транзистор при этом приоткрывается, в результате чего ускоряется заряд конденсатора Зб и уменьшается время задержки, создаваемое узлом 33, Это, в свою очередь, приводит к уменьшению длительности интервала проводимости транзистора 19 и соответствующему уменьшению ширины прямоугольных импульсов выходного напряжения источника оперативного тока, При изменении скважности импульсов этого напряжения (фиг.З, диаграмма Б, ) изменяются амплитуды всех его гармо- нических составляющих. Разлагая кривую этого напряжения в ряд Фурье, получают выражение, определяющее действующее значение его гармоникГ 2 УооБОй (6)ок) Кг 2где К = 1,3,5, -порядковые номерагармоник (ихкратность по отношению к основнойчастоте, равной25 Гц),Б и Ь - соответственно выопсота и угловаяширина прямоугольных импульсов выходного напряженияисточника.При К = Э (;-75 Гц) выражение (6) принимает вид42 Пол . ЗР 42 Пу, ЗЯю 9Б =- - -" З 9.П= - - -ф" Зэ.П -- -оэ ЗТ 2 ЗТ 2(7)гдето = 2. - круговая частота основной гармоники(25 Гц);- временная продолжи 9тельность импульсовпрямоугольного напряжения,Из выражения (7) видно, что при изменении продолжительности 3 импульсов прямоугольного напряжения от 60 до нуля напряжение гармоники 75 Гц изменяется от максимального значения до нуля. Максимальному знаочению=60 соответствует максимальное время задержки, создаваемое узлом 33 и равное с.= 6,67 10 (сТакую задержку узел 33 должен соз" давать при минимальном токе перехода база - эмиттер транзистора 37При полном отпирании последнего время задержки уменьшается практически до нуляпри этом и напряжение гармоники 75 Гц на выходе источника опе 1390 б 87ративного тока становится близким к нулю.При точной настройке полосовых фильтров создаваемый ими фазовый сдвиг проходящего через них сигнала равен нулю. Однако практически всегда имеет место некоторая расстройка Фильтров или отклонение частоты полезного сигнала от заданного значения. Чтобы возникающий при этом фазовый сдвиг выделяемых полосовыми фильтрами б и 7 сигналов не оказывал влияния на величину выходного напряжения (5) множительного блока, 15 указанные фильтры следует выполнять идентичными. В этом случае фазовые сдвиги сигналов на выходах этих Фильтров одинаковые, поэтому разность фаз этих сигналов, т,е, угол, не 20 зависит от этих Фазовых сдвигов. Резонансную частоту Фильтров б и 7 следует принимать выше основной частоты оперативного тока, равной 25 Гц, так как с повышением частоты снижается 25 время запаздывания, создаваемое фильтрами 10 и 28 нижних частот (сглаживающими фильтрами), т.е. повышается быстродействие защиты, Так как выходное напряжение источника оперативного тока содержит только нечетные гармоники, полосовые фильтры должны настраиваться на частоту, которая в нечетное число раз больше основной частоты. Практически эту частоту целесообразно принять равной 75 или 125 Гц, так как при дальнейшем повышении частоты активная составляющая оперативного тока оказывается весьма малой по сравнению с полным значением 4 О этого тока, а это ведет к снижению точности функционирования защиты.В качестве полосовых фильтров и Фильтров нижних частот целесообразно использовать активные КС-фильтры. В качестве множительного блока может быть использован любой перемножитель аналоговых сигналов в интегральном исполнении или интегральный дифференциальный усилитель с выведенным входом генератора стабильного тока, формирователь прямоугольных импульсов, узел выпрямления и пороговый элемент целесообразно выполнить на основеинтегральных операционных усилителей, а в качестве формирователя импульсов55 промьпдленной частоты можно использо- вать двухкаскадный транзисторный усиусилитель с конденсаторной связью между каскадами и транзисторами, работающими в режиме переключения,Предлагаемое техническое решениепозволяет создать защитное устройство, отличающееся высокой помехозащищенностью и точностью Функционирования, а также простотой схемы и высоким быстродействием,ф о р м у л а и з обретения1Устройство для защитного отключения изолированной от земли электрической сети, содержащее последовательно соединенные фильтр присоединения к сети, источник оперативного тока ненепромышленной частоты и реэисторный шунт, соединенный с клеммой для заземления, формирователь прямоугольного напряжения, множительный блок, а также соединенные последовательно пороговый элемент и блок отключения защищаемой сети, о т л и ч а ю щ ее с я тем, что, с целью повышения точности функционирования защиты, в него дополнительно введены два полосовых Фильтра, фильтр нижних частот и блок автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока, при этом входные выводы первого полосового Фильтра соединены с клеммами для подключения между сетью и. землей, вход второго полосового фильтра подключен к резисторному шупту, первый вход множительного блока подключен через формирователь прямоугольного напряжения к выходу первого полосового фильтра, а его второй вход - к выходу второго полосового фильтра, вход порогового элемента подключен через фильтр нижних частот к выходу множительного блока при этом вход блока автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока соединен с выходом первого полосового фильтра, а выход - с входом управления источника оперативного тока непромышленной частоты.2, Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что источник оперативного тока выполнен на выходном трансформаторе, двух транзисторах п-р-п-типа, одном транзисторе р-п-р-типа, диоде, четырех резисторах и источнике постоянного напряжения, а блок. автоматического регулирования выходного напряжения источника оперативного тока выполнен наформирователе импульсов промышленнойчастоты, синхронизированного напряжением сети переменного тока, узлевыпрямления, фильтре нижних частот,счетном триггере, двух двухвходовыхэлементов И-НЕ, элементе НЕ и узелрегулируемой временной задержки,при этом эмиттеры всех трех транзисторов и анод диода подключены к общей 10точке схемы устройства, коллекторыдвух транзисторов и-р-п-типа подключены соответственно к началу и концупервичной обмотки выходного трансформатора, вывод средней точки которой 15соединен с катодом диода и плюсовымзажимом источника постоянного напряжения, коллектор транзистора р-п-ртипа. соединен с минусовым зажимомэтого источника, с базами указанных 20транзисторов соединены последовательно соответственно первый, второй итретий резисторы, а четвертый резистор включен между коллектором и базойтранзистора р-п-.р-типа, причем другие 25выводы указанных трех резисторов соединены соответственно с выходами первого и второго элементов И-НЕ и выходом узла регулируемой временной задержки, вхоД которой подключен через 30Фильтр нижних частот к узлу выпрямления, вход счетного триггера подключен к выходу формирователя импульсовпромышленной частоты, а его прямойи инверсный выходы соединены соответ- З 5ственно с первыми входами первого ивторого двухвходовых элементов И-НЕ,вход элемента НЕ подключен к выходу узла регулируемой временной задержки, а его выход соединен с вторыми входами указанных элементов И-НЕ, выход формирователя импульсов промышленной частоты подключен также к входу синхронизации узла регулируемой временной задержки.Э, Устройство по пп,1 и 2, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что узел регулируемой временной задержки выполнен на элементе И-НЕ, элементе НЕ, конденсаторе, регулирующем транзисторе п-р-п-типа, источнике постоянного напряжения смещения и двух резисторах, при этом один из входов элемента И-НЕ подключен к входу синхронизации узла регулируемой временной задержки, а второй - к выходу элемента НЕ, вход которого подключен к коллектору регулирующего транзистора и чеРез конденсатор к выходу элемента И-НЕ, база регулирующего транзистора подключена через первый резистор к источнику постоянного напряжения смещения и через второй резистор к входу узла регулируемой временной задержки, а эмиттер этого транзистора соединен с общей точкой схемы устройства.4, Устройство по пп.1-3, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения фазовой погрешности и повышения быстродействия защиты, полосовые фильтры выполнены с резонансной частотой, в нечетное число раз превышающей основную частоту напряжения источника оперативного тока.13901)Я 7 оставитель Л, Вехред М.Дидык кова Корректор В, Бутяга Редактор И. Го Подписное каэ 1775/50 1130 ое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 Прои венно-полиг 1 Тираж 650 НИИПИ Государственного делам изобретенийМосква, Ж Рау комитета СССРи открытийская наб., д. 4