устройство для защиты электроустановки от ненормального режима работы

Формула изобретения

Устройство для защиты электроустановки от ненормального режима работы, содержащее первый и второй преобразователи входных сигналов, входы которых предназначены для подключения к контактам пусковых блоков от реле защиты и автоматики, одни из которых подключены к положительному полюсу источника напряжения оперативного тока, а другие через блок-контакты и катушки отключения и включения выключателя к отрицательному полюсу источника напряжения оперативного тока, каждый из преобразователей включает исполнительный блок, делитель напряжения, одно плечо которого образовано первым резистором и подключено к отрицательному полюсу источника напряжения оперативного тока, а второе плечо подключено к положительному полюсу источника напряжения, второй резистор и диод, соединенные между собой, отличающееся тем, что в каждый из преобразователей введен транзистор типа p-n-p, второе плечо делителя напряжения в упомянутых преобразователях образовано третьим резистором, причем исполнительные блоки в преобразователях входных сигналов выполнены с использованием оптопары со светодиодом и фототранзистором и нагрузочного резистора в выходной цепи устройства, эммитер транзистора подключен к аноду светодиода оптопары, к катоду упомянутого диода и ко второму резистору, коллектор транзистора подключен к катоду светодиода оптопары и к другому контакту соответствующего пускового блока, база транзистора подключена к средней точке делителя напряжения и к аноду диода, свободный вывод второго резистора соединен с положительным полюсом источника напряжения оперативного тока, а выходы преобразователей входных сигналов предназначены для управления устройством релейной защиты и автоматики и подключены к входам логического элемента И, выход логического элемента И подключен к входу элемента выдержки времени, а выход элемента выдержки времени предназначен для сигнализации неисправности цепей управления выключателя через устройство релейной защиты и автоматики.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, в частности к технике релейной защиты и автоматики энергосистем, и может быть использовано при построении микропроцессорных защит и автоматики линий, синхронных двигателей и трансформаторов.

Известны устройства для защиты электроустановки от ненормального режима работы, содержащие пусковой блок от реле защиты с контактами, один из которых подключен к положительному полюсу источника напряжения оперативного тока, а другой через блок-контакты и катушку отключения выключателя - к отрицательному полюсу источника напряжения оперативного тока, пусковой блок от реле автоматики с контактами, один из которых подключен к положительному полюсу источника напряжения оперативного тока, а другой через блок-контакты и катушку включения выключателя - к отрицательному полюсу источника напряжения оперативного тока, а также реле, предназначенные для контроля исправности цепей отключения и включения (см. Э.И.Басс и др. "Электромонтер по эксплуатации релейной защиты и автоматики". Учебное пособие для проф.-техн. училищ. Профтехиздат, М., 1963, с.170-171).

Недостатком этих устройств является возможность ложной сигнализации от реле контроля исправности цепей отключения и цепей включения при замыканиях на землю соответствующей жилы соединительного кабеля, что обусловлено наличием связи с землей в устройстве контроля изоляции, подключенном к источнику оперативного постоянного тока (см. Чернобровов Н.В. "Релейная защита". М., Энергия, 1974, с.22).

Известны устройства для защиты электроустановки от ненормального режима работы, содержащие по крайней мере один преобразователь дискретных входных сигналов, включающий балластный резистор, оптопару со светодиодом и фототранзистором и нагрузочный резистор в выходной цепи устройства, подключенный к контактам пускового блока управления, один из которых подключен к положительному полюсу источника напряжения оперативного тока, а другой - к балластному резистору (см. В.Я.Шмурьев. "Цифровые реле защиты". Библиотечка электротехника. Выпуск 1(4). М., 1999, с.13, рис. 1.8 а).

Недостатком этих устройств также является возможность ложной работы при замыканиях на землю соответствующей жилы соединительного кабеля, так как при этом входной ток соизмерим с током цепи контроля изоляции сети оперативного тока.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для защиты электроустановки от ненормального режима работы, содержащее по крайней мере один преобразователь входных сигналов, вход которого предназначен для подключения к контактам пускового блока от реле защиты или автоматики, один из которых подключен к положительному полюсу источника напряжения оперативного тока, включающий исполнительный блок с катушкой реле и контактом в выходной цепи устройства, делитель напряжения, одно плечо которого образовано первым резистором, подключенным к отрицательному полюсу источника напряжения оперативного тока, а второе плечо - стабилитроном, подключенным к положительному полюсу источника напряжения, второй резистор и диод, соединенные между собой и подключенные к другому контакту пускового блока, причем катушка реле подключена к свободному выходу диода и к общей точке делителя напряжения, а второй вывод второго резистора подключен к отрицательному полюсу источника напряжения оперативного тока (см. а.с. СССР №1077532. Бюл. №14 от 15.04.85).

Это устройство может обеспечивать отстройку от ложной работы при замыканиях на землю соответствующей жилы соединительного кабеля.

Недостатком этого устройства является отсутствие возможности самоконтроля исправности и возможности сигнализации неисправности в цепях управления выключателя.

Технический результат изобретения - обеспечение возможности самоконтроля исправности цепей управления выключателя при соблюдении отстройки от ложной работы при замыканиях на землю соединительного кабеля, а также обеспечение возможности сигнализации неисправности цепей управления выключателя.

Это достигается тем, что устройство для защиты электроустановки от ненормального режима работы, содержащее первый и второй преобразователи входных сигналов, входы которых предназначены для подключения к контактам пусковых блоков от реле защиты и автоматики, одни из которых подключены к положительному полюсу источника напряжения оперативного тока, а другие через блок-контакты и катушки отключения и включения выключателя - к отрицательному полюсу источника напряжения оперативного тока, каждый из преобразователей включает исполнительный блок, делитель напряжения, одно плечо которого образовано первым резистором и подключено к отрицательному полюсу источника напряжения оперативного тока, а второе плечо подключено к положительному полюсу источника напряжения, второй резистор и диод, соединенные между собой, отличается тем, что в каждый из преобразователей введен транзистор типа р-n-р, второе плечо делителя напряжения в упомянутых преобразователях образовано третьим резистором, причем исполнительные блоки в преобразователях входных сигналов выполнены с использованием оптопары со светодиодом и фототранзистором и нагрузочного резистора в выходной цепи устройства, эмиттер транзистора подключен к аноду светодиода оптопары, к катоду упомянутого диода и ко второму резистору, коллектор транзистора подключен к катоду светодиода оптопары и к другому контакту соответствующего пускового блока, база транзистора подключена к средней точке делителя напряжения и к аноду диода, свободный вывод второго резистора соединен с положительным полюсом источника напряжения оперативного тока, а выходы преобразователей входных сигналов предназначены для управления устройством релейной защиты и автоматики и подключены к входам логического элемента И, выход логического элемента И подключен к входу элемента выдержки времени, а выход элемента выдержки времени предназначен для сигнализации неисправности цепей управления выключателя через устройство релейной защиты и автоматики.

Отличительной особенностью изобретения является введение транзистора типа р-n-р и третьего резистора в преобразователях входных сигналов, включенных таким образом, что обеспечивается возможность самоконтроля исправности цепей управления выключателя при соблюдении отстройки от ложной работы при замыканиях на землю соединительного кабеля, а также введение логического элемента И и элемента выдержки времени, соединенных с выходами первого и второго преобразователей дискретных входных сигналов таким образом, что обеспечивается возможность сигнализации неисправности цепей управления выключателя.

Схема предлагаемого устройства приведена на чертеже, где:

E1, E2 - первый и второй преобразователи входных сигналов, выполненные по однотипной схеме;

1 и 3 - делитель напряжения из первого и третьего резисторов;

2 - второй резистор;

4 - диод, предназначенный для защиты транзистора 5 от возможных перенапряжений;

5 - транзистор типа р-n-р;

6 - оптопара со светодиодом во входной цепи и с фототранзистором в выходной цепи;

7 - нагрузочный резистор, подключенный к вторичному источнику питания устройства, для обеспечения сигнала высокого уровня на входе логического элемента И;

8 - положительный полюс источника напряжения оперативного тока;

9 - отрицательный полюс источника напряжения оперативного тока;

10 - контакты пускового блока от реле защиты, предназначенные для отключения выключателя;

11 - контакты пускового блока от реле автоматики, предназначенные для включения выключателя;

12 - замыкающий блок-контакт выключателя;

13 - размыкающий блок-контакт выключателя;

14 - катушка отключения выключателя;

15 - катушка включения выключателя;

16 - логический элемент И;

17 - элемент выдержки времени.

Первый E1 и второй Е2 преобразователи входных сигналов, входы которых предназначены для подключения к контактам пусковых блоков от реле защиты 10 и автоматики 11, одни из которых подключены к положительному полюсу 8 источника напряжения оперативного тока, а другие через блок-контакты 12, 13 и катушки отключения 14 и включения 15 выключателя - к отрицательному полюсу 9 источника напряжения оперативного тока. Каждый из преобразователей Е1 и Е2 включает исполнительный блок, выполненый с использованием оптопары 6 со светодиодом и фототранзистором и нагрузочного резистора 7 в выходной цепи устройства, делитель напряжения, одно плечо которого образовано первым резистором 1 и подключено к отрицательному полюсу источника напряжения оперативного тока, а второе плечо образовано третьим резистором 3 и подключено к положительному полюсу 8 источника напряжения, второй резистор 2 и диод 4, соединенные между собой, в каждый из преобразователей Е1 и Е2 введен транзистор 5 типа р-n-р, эмиттер транзистора 5 подключен к аноду светодиода оптопары 6, к катоду диода 4 и ко второму резистору 2, коллектор транзистора подключен к катоду светодиода оптопары 6 и к другому контакту 10 или 11 соответствующего пускового блока, база транзистора 5 подключена к средней точке делителя напряжения из резисторов 1 и 3 и к аноду диода 4, свободный вывод второго резистора 2 соединен с положительным полюсом 8 источника напряжения оперативного тока, а выходы преобразователей входных сигналов Е1 (РПВ) и Е2 (РПО) предназначены для управления устройством релейной защиты и автоматики и подключены к входам логического элемента И 16, выход логического элемента И 16 подключен к входу элемента выдержки времени 17, а выход элемента выдержки времени 17 предназначен для сигнализации неисправности цепей управления выключателя через устройство релейной защиты и автоматики.

Рассмотрим работу блока преобразователя дискретных входных сигналов Е1. Для правильной работы устройства величина сопротивления резистора 3 делителя должна выбираться примерно в три раза большей величины сопротивления резистора 1, а величины сопротивлений резисторов 1, 2 и 3 должны выбираться намного больше величины активного сопротивления катушки отключения 14 выключателя. В нормальном режиме работы энергосистемы выключатель включен, а контакты внешних управляющих реле защиты 10 и автоматики 11 разомкнуты. При этом блок-контакты 12 выключателя замкнуты, а блок-контакты 13 - разомкнуты. В этом режиме благодаря наличию тока, протекающего от шинки управления +ШУ 8 через резистор 2 в преобразователе Е1, светодиод оптопары 6 в преобразователе Е1, замкнутый блок-контакт 12 в цепи отключения и катушку отключения 14 выключателя к шинке управления -ШУ 9, открывается фототранзистор оптопары 6 в преобразователе Е1. При этом транзистор 5 закрыт, а диод 4 открыт. Сопротивление токоограничивающего резистора 2 выбирается таким образом, что величина входного тока светодиода оптопары 6 незначительна (меньше 10 мА) и не достаточна для отключения выключателя (ток, достаточный для отключения, в зависимости от типа выключателя может составлять десятки ампер), однако она достаточна для включения фототранзистора оптопары. В этом режиме активный сигнал низкого уровня первого канала (РПВ), который свидетельствует о включенном положении выключателя и исправности цепи отключения, поступает в логические цепи управления цифрового устройства защиты, подготавливая их к действию. При замыкании контактов 10 управляющего реле защиты через катушку отключения 14 протекает ток, достаточный для отключения выключателя, а после его отключения размыкаются блок-контакты 12, замыкаются блок-контакты 13, и через некоторое время возврата защиты размыкаются ее контакты 10. При этом током, протекающим через резисторы 2 и 1, открывается транзистор 5 в преобразователе Е1, который шунтирует вход светодиода оптопары 6 в преобразователе Е1 и защищает его от возможных помех. При этом закрывается фототранзистор оптопары 6 в преобразователе Е1, а на выходе его формируется сигнал высокого уровня, который обеспечивается нагрузочным резистором 7, подключенным к источнику вторичного питания +5В (более подробно работа преобразователей дискретных входных сигналов Е1 и Е2 изложена в таблице). Если в нормальном режиме работы энергосистемы происходит обрыв в цепи катушки отключения 14 или блок-контактов 12, транзистор 5 открывается, блокируется работа оптопары 6 в преобразователе Е1, а на выходе его формируется сигнал высокого уровня, который

поступает на вход логического элемента И 16. Так как на другом входе логического элемента И 16 при этом также присутствует сигнал высокого уровня (РПО), то через заданную выдержку времени элемента времени 17 на выходе его появляется сигнал "Неисправность цепей управления". Таким образом обеспечивается самоконтроль исправности цепи из последовательно включенных блок-контактов 12 и катушки отключения 14, а также сигнализация при их неисправности. Если при отключенном выключателе и разомкнутых контактах 10 и 11 (когда транзистор 5 открыт, а фототранзистор оптопары 6 в преобразователе Е1 закрыт) происходит изменение напряжения в питающем кабеле, вызванное возникновением короткого замыкания (примерно до 0,5 Uшу), состояние транзистора 5 и оптопары 6 в преобразователе Е1 не изменяется (так как в этом режиме не происходит снижение напряжения ниже порога переключения транзистора 5, заданного соотношением сопротивлений резисторов 1 и 3 делителя и равного примерно 0,25 Uшу). При этом благодаря электрической связи через резистор 2 обеспечивается возможность правильной работы для вышеупомянутой цепи контроля изоляции. Если при включенном выключателе и разомкнутых контактах внешнего управляющего реле защиты 10 (когда транзистор 5 закрыт, а фототранзистор оптопары 6 в преобразователе Е1 открыт) происходит короткое замыкание в питающем кабеле, то из-за низкого сопротивления катушки отключения и сравнительно высокого сопротивления цепей контроля изоляции потенциал питающего кабеля практически не изменяется и не превышает величину 0,25 Uшу, поэтому состояние транзистора 5 и оптопары 6 в блоке не изменяется. При этом также обеспечивается возможность правильной работы для вышеупомянутой цепи контроля изоляции.

Рассмотрим работу преобразователя дискретных входных сигналов Е2, выполненного аналогично преобразователю Е1. Пусть (например, с целью профилактики) выключатель выключен, а контакты внешних управляющих реле защиты 10 и автоматики 11 разомкнуты. При этом блок-контакты 13 выключателя замкнуты, а блок-контакты 12 - разомкнуты. В этом режиме благодаря наличию тока, протекающего от шинки управления +ШУ 8 через резистор 2 в преобразователе Е2, светодиод оптопары 6 в преобразователе Е2, замкнутый блок-контакт 13 и катушку включения 15 выключателя к шинке управления -ШУ 9, открывается фототранзистор оптопары 6 в преобразователе Е2. При этом транзистор 5 закрыт, а диод 4 открыт. В этом режиме активный сигнал низкого уровня второго канала (РПО), который свидетельствует об отключенном положении выключателя и исправности цепи включения, поступает в логические цепи управления цифрового устройства защиты. При замыкании контактов управляющего реле автоматики 11 через катушку включения 15 протекает ток, достаточный для включения выключателя, а после его включения размыкаются блок-контакты 13, замыкаются блок-контакты 12, и через некоторое время возврата реле автоматики размыкаются его контакты 11. При этом током, протекающим через резисторы 2 и 1, открывается транзистор 5, который шунтирует вход светодиода оптопары 6 в преобразователе Е2 и защищает его от возможных помех. При этом закрывается фототранзистор оптопары 6 в преобразователе Е2, а на выходе его формируется сигнал высокого уровня, который обеспечивается нагрузочным резистором 7, подключенным к источнику вторичного питания +5В (см. также таблицу). Если при отключенном выключателе происходит обрыв в цепи катушки включения 15 или блок-контактов 13, транзистор 5 открывается, блокируется работа оптопары 6 в преобразователе Е2, а на выходе его формируется сигнал высокого уровня, который поступает на вход логического элемента И 16. Так как на другом входе логического элемента И 16 при этом также присутствует сигнал высокого уровня (РПВ), то через заданную выдержку времени элемента времени 17 на выходе его появляется сигнал "Неисправность цепей управления". Таким образом обеспечивается самоконтроль исправности цепи из последовательно включенных блок-контактов 13 и катушки включения 15, а также сигнализация при их неисправности. Если при включенном выключателе и разомкнутых контактах 11 и 13 (когда транзистор 5 открыт, а фототранзистор оптопары 6 в преобразователе Е2 закрыт) происходит изменение напряжения в питающем кабеле, вызванное возникновением короткого замыкания (примерно до 0,5 Uшу), состояние транзистора 5 и оптопары 6 в преобразователе Е2 не изменяется, так как в этом режиме порог напряжения переключения транзистора 5, заданный соотношением сопротивлений резисторов 1 и 3 делителя, примерно равен 0,25 Uшу. При этом благодаря электрической связи через резистор 2 обеспечивается возможность правильной работы для вышеупомянутой цепи контроля изоляции. Если при отключенном выключателе и разомкнутых контактах внешнего управляющего реле автоматики 11 (когда транзистор 5 закрыт, а фототранзистор оптопары 6 в преобразователе Е2 открыт) происходит короткое замыкание в питающем кабеле, то из-за низкого сопротивления катушки включения и сравнительно высокого сопротивления цепей контроля изоляции потенциал питающего кабеля практически не изменяется и не превышает величину 0,25 Uшу, поэтому состояние транзистора 5 и оптопары 6 в блоке Е2 не изменяется. При этом также обеспечивается возможность правильной работы для вышеупомянутой цепи контроля изоляции.

Таким образом, в нормальных режимах управления одновременное присутствие сигналов высокого уровня на выходах преобразователей Е1 и Е2 возможно лишь в течение ограниченного времени (контакт отключающего реле замкнут, но силовой выключатель еще не отключен или контакт включающего реле замкнут, но силовой выключатель еще не включен), которое зависит от типа выключателя и обычно не превышает 0,1 с. Такое длительное состояние возникает только при обрыве в цепях отключения или включения, а также при исчезновении оперативного напряжения батареи или при неисправностях привода выключателя и поэтому рассматривается как критерий контроля. Так как при внешних КЗ в цепях оперативного питания или при переключениях источника на резервное питание возможны кратковременные перерывы питания, то можно рекомендовать выдержку времени элемента 15 не менее 2 с.

Таблица
№	Контакты	Положение выключателя	Состояние выходов преобразователей
	отключающего реле	включающего реле		Е1 (РПВ)	Е2 (РПО)
1	Разомкнуты	Разомкнуты	Включен	0	1
2	Замкнуты	Разомкнуты	Включен	1	1 (0,1 с)
3	Замкнуты	Разомкнуты	Отключен	1	0
4	Разомкнуты	Разомкнуты	Отключен	1	0
5	Разомкнуты	Замкнуты	Отключен	1 (0,1 с)	1
6	Разомкнуты	Замкнуты	Включен	0	1

Особенность устройства заключается в том, что при изменении оперативного напряжения в широких пределах (например, от 0,5 до 1,2 Uном) оно сохраняет работоспособность и возможность самоконтроля исправности цепей управления выключателем при соблюдении отстройки от ложной работы при замыканиях на землю соединительного кабеля, а также возможность сигнализации неисправности цепей управления выключателя. Все это повышает надежность электроснабжения и уменьшает технологический ущерб у потребителей.