устройство для защиты низковольтного автоматического выключателя

Формула изобретения

Устройство для защиты низковольтного автоматического выключателя от токов однофазного короткого замыкания, содержащее трансформаторы тока, фильтр токов нулевой последовательности, источник тока смещения, два операционных усилителя, времязадающую RC-цепочку и исполнительный орган, в котором выход трансформаторов тока соединен с входом фильтра токов нулевой последовательности, выход фильтра с входом первого операционного усилителя, выход которого подключен к резистору RC-цепочки, общая точка резистора и конденсатора RC-цепочки подключена к входу второго операционного усилителя, а его выход к входу исполнительного органа, отличающееся тем, что в него дополнительно введены амплитудный детектор, компаратор и разделительный диод, вход амплитудного детектора подключен к выходу фильтра токов нулевой последовательности, выход амплитудного детектора подключен к одному входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику тока смещения, выход компаратора подключен к одному из выводов разделительного диода, второй вывод которого подключен к общей точке резистора и конденсатора времязадающей RC-цепочки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к устройствам релейной защиты.

Известно устройство для защиты низковольтных установок [1] осуществляющее защиту от однофазных коротких замыканий, содержащее в качестве фильтра токов нулевой последовательности трансформатор, значительно увеличивающий габариты устройства.

Этот недостаток устранен в устройстве [2] для защиты низковольтного автоматического выключателя, обеспечивающем высокочувствительную защиту от токов однофазного короткого замыкания и являющемся наиболее близким к предлагаемому. Оно содержит трансформаторы тока, фильтр токов нулевой последовательности, источник тока смещения, два операционных усилителя, время задающую RC-цепочку и исполнительный орган. В этом устройстве выход трансформаторов тока соединен со входом фильтра токов нулевой последовательности, выход фильтра токов нулевой последовательности и источник тока смещения с одним входом первого операционного усилителя, выход которого подключен к резистору время задающей RC-цепочки, общая точка резистора и конденсатора RC-цепочки подключена ко входу второго операционного усилителя, а его выход ко входу исполнительного органа.

Структурная схема устройства прототипа [2] приведена на фиг. 2.

Устройство содержит трансформаторы тока 1, фильтр токов нулевой последовательности 2, источник тока смещения 3, первый 4 и второй 5 операционные усилители, время задающую RC-цепочку из резистора 6 и конденсатора 7 и исполнительный орган 8. Выход трансформаторов тока 1 соединен со входом фильтра токов нулевой последовательности 2, выход фильтра 2 и источник тока смещения 3 с одним входом первого операционного усилителя 4, выход которого подключен к резистору 6, общая точка резистора 6 и конденсатора 7 подключена ко входу второго операционного усилителя 5, а его выход ко входу исполнительного органа 8.

В симметричном режиме при отсутствии однофазного замыкания и насыщения трансформаторов тока ток на выходе фильтра токов нулевой последовательности 2 отсутствует, первый 4 и второй 5 операционные усилители, работающие в релейном режиме, находятся в одном из двух устойчивых состояний. При возникновении однофазного короткого замыкания, когда величина тока нулевой последовательности на выходе фильтра 2 в течение определенного времени превышает величину тока смещения от источника 3, на выходе первого операционного усилителя 4 появляются импульсы, заряжающие (перезаряжающие) конденсатор 7. Если конденсатор 7 за время действия импульса успевает зарядиться (перезарядиться) до напряжения, при котором второй операционный усилитель 5 переходит в другое устойчивое состояние, срабатывает исполнительный орган 8.

Появление импульсов на выходе первого операционного усилителя 4 может происходить и в симметричном режиме при больших токах перегрузки, когда насыщаются трансформаторы тока 1. В этом случае на выходе фильтра токов нулевой последовательности 2 появляются токи небаланса, которые имеют утроенную частоту по сравнению с частотой тока нулевой последовательности. Соответственно этому длительность импульсов на выходе операционного усилителя также втрое меньше, чем при однофазном коротком замыкании. Постоянная времени RC-цепочки из резистора 6 и конденсатора 7 выбирается таким образом, чтобы при токах небаланса конденсатор 7 не успел зарядиться (перезарядиться) до напряжения, при котором операционный усилитель 5 изменяет одно устойчивое состояние на другое, поэтому срабатывание исполнительного органа 8 не происходит.

Длительность полупериода тока промышленной частоты 50 Гц равна 0,01 с, а для утроенной частоты около 0,0033 с, исходя из чего длительность импульсов на выходе операционного усилителя 4, при которой конденсатор 7 успевает зарядиться (перезарядиться) до необходимого уровня напряжения, обычно выбирается равной 0,006 с, что соответствует углу 108^o. Если принять максимальную амплитуду тока однофазного короткого замыкания, при котором срабатывает устройство, за единицу, то импульс на выходе операционного усилителя 4 начнется при угле 36^o и заканчивается при угле 144^o, когда амплитуда тока равна 0,6 от максимальной. С учетом диапазона изменения окружающей температуры, при которой работает устойчиво, и реальные значения ТКС резисторов и ТКЕ конденсаторов RC-цепочки, емкость конденсатора 7 изменяется на 10% сопротивление резистора 6 на 5% постоянное времени RC-цепочки на 15% При линейном характере изменения напряжения на конденсаторе 7 и возрастании постоянной времени на 15% необходимая длительность заряда изменяется с 0,006 до 0,0069 с, а углы начала и конца импульса на выходе операционного усилителя 4 соответственно будут равны 28 и 152^o. Этим значениям углов соответствуют амплитуды тока однофазного короткого замыкания, равные 0,46 от максимальной. Если ток смешения на входе операционного усилителя 4 не изменился, то справедливо равенство

0,6U_m1=0,46U_m2,

где U_m1 и U_m2 соответственно максимальные амплитуды тока срабатывания при однофазном коротком замыкании в условиях нормальной и предельной температур окружающей среды.

Относительное изменение тока срабатывания равно .

Таким образом, нестабильность тока срабатывания от изменения постоянной времени RC-цепи при изменении окружающей температуры для этого устройства составляет 30% что является его недостатком.

Задачей, решаемой предлагаемым устройством, является исключение влияния нестабильности постоянной времени время-задающей RC-цепи в условиях изменения температуры окружающей среды на уставку тока срабатывания при однофазном коротком замыкании.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в устройстве для защиты низковольтного автоматического выключателя от токов однофазного короткого замыкания, содержащее трансформаторы тока, фильтр токов нулевой последовательности, источник тока смещения, два операционных усилителя, время-задающую RC-цепочку и исполнительный орган, в котором выход трансформаторов тока соединен со входом фильтра токов нулевой последовательности, выход фильтра со входом первого операционного усилителя, выход которого подключен к резистору RC-цепочки подключена ко входу второго операционного усилителя, а его выход ко входу исполнительного органа, дополнительно введены амплитудный детектор, компаратор и разделительный диод, вход амплитудного детектора подключен к выходу фильтра токов нулевой последовательности, выход амплитудного детектора подключен к одному входу компаратора, второй вход которого подключен к источнику тока смещения, выход компаратора подключен к одному из выводов разделительного диода, второй вывод которого подключен к общей точке резистора и конденсатора время-задающей RC-цепочки.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1.

Устройство содержит трансформаторы тока 1, фильтр токов нулевой последовательности 2, источник тока смещения 3, первый 4 и второй 5 операционные усилители, время-задающую RC-цепочку из резистора 6 и конденсатора 7, исполнительный орган 8, амплитудный детектор 9, компаратор 10 и разделительный диод 11. Выход трансформаторов тока 1 соединен со входом фильтра токов нулевой последовательности 2, выход которого соединен со входом первого операционного усилителя 4, выход которого подключен к резистору 6, общая точка резистора 6 и конденсатора 7 подключена ко входу второго операционного усилителя 5, его выход ко входу исполнительного органа 8, вход амплитудного детектора 9 подключен к выходу фильтра токов нулевой последовательности 2, выход амплитудного детектора 9 подключен к одному входу компаратора 10, второй вход которого подключен к источнику тока смещения 3, выход компаратора 10 подключен к одному из выводов разделительного диода 11, второй выход которого подключен к общей точке резистора 6 и конденсатора 7 время-задающей RC-цепочки.

В симметричном режиме при отсутствии однофазного замыкания и насыщения трансформаторов тока 1, ток на выходе фильтра токов нулевой последовательности 2 отсутствует; напряжение на выходе первого операционного усилителя 4 отсутствует (его выходной каскад в режиме насыщения); конденсатор 7 разряжен; напряжение на выходе второго операционного усилителя 5 отсутствует; напряжение на выходе амплитудного детектора 9 отсутствует; под действием тока смещения от источника 3 выходной каскад компаратора 10 в режиме насыщения и через диод 11 шунтирует конденсатор 7 и вход второго операционного усилителя 5.

При возникновении тока однофазного короткого замыкания любой величины на выходе фильтра токов нулевой последовательности 2 появляются однополярные полуволны выпрямленного напряжения с длительностью 0,01 с, соответствующей частоте сети 50 Гц, а на выходе первого операционного усилителя 4 (выходной каскад которого переходит в режим отсечки) прямоугольные импульсы практически такой же длительности. При токах однофазного короткого замыкания, ниже уставки срабатывания, определяемой величиной тока смешения от источника 3 на входе компаратора 10, компаратор 10 не изменяет своего состояния, шунтирует конденсатор 7, в результате чего последний не может зарядиться выходными импульсами первого операционного усилителя 4. При токах однофазного короткого замыкания, превышающих уставку срабатывания, компаратор 10 изменяет свое состояние (его выходной каскад из режима насыщения переходит в режим отсечки) и остается в этом втором состоянии до тех пор, пока ток не снизится до величины тока, определяемой коэффициентом возврата устройства. Выходное напряжение компаратора 10 закрывает разделительный диод 11, в результате чего конденсатор 7 получает возможность заряжаться выходными импульсами операционного усилителя 4. Назначение RC-цепочки из конденсатора 7 и резистора 6 только отличить длительность импульсов, соответствующих частоте сети, от длительности импульсов тока небаланса, которая в 3 раза меньше. При соответствующем выборе времени заряда конденсатора 7 до уровня, необходимого для срабатывания операционного усилителя 5 и исполнительного органа 8 (например, те же 0,006 с), изменения постоянной времени даже в более широких пределах, чем 15% не влияют на величину уставки тока срабатывания устройства при однофазном коротком замыкании.

Таким образом, предлагаемое устройство решает поставленную задачу - исключает влияние нестабильности постоянной времени время-задающей RC-цепочки в условиях изменения температуры окружающей среды на уставку тока срабатывания при однофазном коротком замыкании, что повышает точность работы устройства.