РЕЛЕ ТОКА

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве электронных реле тока, реагирующих на приращение тока, например тока обратной последовательности.

Известно устройство, содержащее последовательно соединенные генератор тактовых импульсов, двоичный счетчик импульсов, дешифратор, формирователь импульсов и исполнительный элемент, выполненный в виде транзистора [1].

Недостатком устройства являются относительно узкие функциональные возможности, не позволяющие использовать его в качестве реле тока.

Известно также устройство, содержащее последовательно соединенные промежуточный трансформатор тока, выпрямитель, сглаживающий фильтр, пороговый блок и исполнительный элемент [2].

Недостатком этого технического решения является относительно низкая помехоустойчивость.

Помимо указанных выше, известно реле тока [RU 2488186, С2, Н01Н 51/06, 20.07.2013], содержащее втяжной якорь, неферромагнитный контактный стержень, в нормальном положении находящихся в вертикальном положении в полостях корпуса на нижних замкнутых контактах, катушку трехпозиционного реле тока с количеством витков, сообразованным с номинальным током защищаемого двигателя, причем втяжной якорь с сочлененным неферромагнитным контактным стержнем расположены в полостях в вертикальном положении, удержанные на плече верхним торцом втяжного якоря, в этом исходном положении притянуты к постоянному магниту при помощи пружины, соединенный с нижним торцом неферромагнитного контактного стержня и ферромагнетика, соединенным с нижним концом пружины через неферромагнитное кольцо, постоянный магнит устроен под ферромагнетиком касательно к его поверхности с возможностью передвижения в горизонтальных направлениях, т.к. сила магнитного поля возрастает в одной из точек на его поверхности, катушка (на чертеже не показано) реле тока с магнитным притяжением втяжного якоря создает сердечником силу электромагнитного поля как от тока перегрузки при протекании по электропроводу допустимого тока, т.е. имитирует силу электромагнитного поля как от тока перегрузки, за счет количества витков на катушке.

Недостатком устройства является относительно низкая надежность, обусловленная наличием механического элемента - втяжного якоря.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является устройство [RU 2192084, С2, Н02Н 3/06, Н02Н 3/08, 27.10.2003], содержащее исполнительный элемент, последовательно соединенные промежуточный трансформатор тока, вход которого является информационным входом реле тока, выпрямитель, первый, второй и третий пороговые блоки, первый и второй элементы И, реверсивный счетчик, одновибратор и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и делитель частоты, при этом входы сложения и вычитания реверсивного счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И, соответственно, первый прямой вход первого элемента И соединен с выходом «меньше» первого порогового блока, с выходом «больше» которого соединен первый прямой вход второго элемента И, второй прямой вход первого элемента И соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а второй прямой вход второго элемента И соединен с выходом делителя частоты, выход реверсивного счетчика соединен с входом исполнительного элемента и с входами второго и третьего пороговых блоков, выход «больше» второго порогового блока и выход «меньше» третьего порогового блока соединены с инверсными входами первого и второго элементов И, соответственно, выход одновибратора соединен с входом установки в начальное состояние реверсивного счетчика и с входом запуска генератора тактовых импульсов, вход одновибратора является входом запуска генератора тактовых импульсов, причем исполнительный элемент содержит пороговый блок, вход которого является входом исполнительного элемента, а выход непосредственно или через усилительный элемент соединен с входом реле с замыкающими контактами.

Недостатком этого технического решения является относительно низкая помехоустойчивость, обусловленная отсутствием средств защиты от аномальных искажений входного сигнала, проявляющихся в его случайных кратковременных импульсных искажениях.

Задачей, решаемой в предложенном изобретении, является повышение помехоустойчивости.

Требуемый технический результат также заключается в повышении помехоустойчивости.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в реле тока, содержащее последовательно соединенные промежуточный трансформатор тока, вход которого является информационным входом реле тока, и выпрямитель, исполнительный элемент, первый, второй, и третий пороговые блоки, первый и второй элементы И, реверсивный счетчик, одновибратор и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и делитель частоты, при этом входы сложения и вычитания реверсивного счетчика соединены с выходами первого и второго элементов И, соответственно, первые прямые входы первого и второго элементов И соединены, соответственно, с выходом «меньше» и с выходом «больше» первого порогового блока, выход «больше» второго порогового блока и выход «меньше» третьего порогового блока соединены с инверсными входами первого и второго элементов И, соответственно, выход одновибратора соединен с входом установки в начальное состояние реверсивного счетчика и с входом запуска генератора тактовых импульсов, вход одновибратора является входом запуска реле тока, а исполнительный элемент содержит четвертый пороговый блок, вход которого является входом исполнительного элемента, а выход соединен с входом реле с замыкающими контактами, согласно изобретению введены блок вычитания, первый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, двухсторонний ограничитель, сумматор, нерекурсивный фильтр, вход которого соединен с выходом сумматора, а выход соединен с входами второго и третьего пороговых блоков, со вторым входом блока вычитания и с первым входом сумматора, формирователь коротких импульсов, вход которого соединен с выходом «больше» первого порогового блока, счетчик импульсов, счетный вход которого соединен с выходом формирователя коротких импульсов, RS-триггер, S-вход которого соединен с выходом переполнения счетчика импульсов, а R-вход соединен с входом установки в ноль счетчика импульсов и с выходом одновибратора, блок элементов ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом двухстороннего ограничителя, а выход соединен со вторым входом сумматора, а также первый ключ, выход которого соединен с входом двухстороннего ограничителя, и второй ключ, информационный вход которого соединен с информационным входом первого ключа и с выходом блока вычитания, а выход соединен со вторым входом блока элементов ИЛИ, при этом прямой выход RS-триггера соединен с управляющим входом первого ключа, инверсный выход RS-триггера соединен с управляющим входом второго ключа, выход генератора тактовых импульсов соединен со вторым прямым входом второго элемента И, а выход делителя частоты импульсов соединен со вторым прямым входом первого элемента И, выход выпрямителя соединен с входом первого порогового блока, а выход нерекурсивного фильтра соединен с входом исполнительного элемента.

На чертеже представлены:

на фиг. 1 - электрическая структурная схема реле тока;

на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу.

Реле тока содержит последовательно соединенные промежуточный трансформатор 1 тока, вход которого является информационным входом реле тока, выпрямитель 2 и первый пороговый блок 3, первый элемент И 4, первый прямой вход которого соединен с выходом «меньше» первого порогового блока 3, второй элемент И 5, первый прямой вход которого соединен с выходом «больше» первого порогового блока 3, реверсивный счетчик 6, вход сложения и вход вычитания которого соединены с выходом первого 4 и второго 5 элементов И, соответственно, второй 7 и третий 8 пороговые блоки, а также исполнительный элемент 9.

Реле тока содержит также последовательно соединенные генератор 10 тактовых импульсов (ГТИ), выход которого соединен со вторым прямым входом второго элемента И 5, и делитель 11 частоты импульсов, выход которого соединен со вторым прямым входом первого элемента И 4, а также одновибратор 12, вход которого является входом запуска реле тока, а выход соединен с входом установки в начальное состояние реверсивного счетчика 6 и с входом запуска ГТИ 10, причем исполнительный элемент 9 выполнен в виде четвертого порогового блока 13, вход которого является входом исполнительного элемента 9, а выход непосредственно или через усилительный элемент соединен с входом реле с замыкающими контактами.

Кроме того, реле тока содержит блок 14 вычитания, первый вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, двухсторонний ограничитель 15, сумматор 16, нерекурсивный фильтр 17, вход которого соединен с выходом сумматора 16, а выход соединен с входами второго 7 и третьего 8 пороговых блоков, со вторым входом блока 14 вычитания и с первым входом сумматора 16, формирователь 18 коротких импульсов, вход которого соединен с выходом «больше» первого порогового блока 3, счетчик импульсов 19, счетный вход которого соединен с выходом формирователя 18 коротких импульсов, RS-триггер 20, S-вход которого соединен с выходом переполнения счетчика 19 импульсов, а R-вход соединен с входом установки в ноль счетчика 19 импульсов и с выходом одновибратора 12, блок 21 элементов ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом двухстороннего ограничителя 15, а выход соединен со вторым входом сумматора 16, а также первый ключ 22, выход которого соединен с входом двухстороннего ограничителя 15, и второй ключ 23, информационный вход которого соединен с информационным входом первого ключа 22 и с выходом блока 14 вычитания, а выход - соединен со вторым входом блока элементов ИЛИ, при этом прямой выход RS-триггера 20 соединен с управляющим входом первого ключа 22, инверсный выход RS-триггера 20 соединен с управляющим входом второго ключа 23, выход генератора 10 тактовых импульсов соединен со вторым прямым входом второго элемента И 5, а выход делителя 11 частоты импульсов соединен со вторым прямым входом первого элемента И 4.

Первый 3, второй 7, третий 8 и четвертый 13 пороговые блоки могут быть выполнены в виде стандартных компараторов, реверсивный счетчик 6 - по схеме, представленной в [3, стр. 177, 187], промежуточный трансформатор 1 тока и выпрямитель - по схеме, приведенной в [2, стр. 113], а делитель 11 - в виде двоичного счетчика. Нерекурсивный фильтр 17 может быть выполнен в виде стандартного цифрового фильтра, содержащего сдвиговый регистр, информационный вход которого является входом нерекурсивного фильтра (тактовый вход для упрощения на фиг. 1 не показан), а выходы ячеек регистра сдвига через соответствующие умножители соединены с входами сумматора, выход которого является выходом нерекурсивного фильтра. Блок 21 элементов ИЛИ выполнен в виде элементов ИЛИ по числу знаковых разрядов, первый и второй входы которых являются входами соответствующих разрядов от сумматора 15 и второго ключа 23 (блока 14 вычитания). Остальные элементы являются стандартными элементами электронной техники.

Вход промежуточного трансформатора 1 тока является информационным входом реле тока, вход одновибратора 12 является входом запуска реле тока, а выход исполнительного элемента 9 является выходом контроля амплитуды тока реле тока.

На фиг. 2 представлены следующие временные диаграммы: на фиг. 2, а - сигнал U₂ на выходе выпрямителя 2, на фиг. 2, б - сигнал Е₆ на выходе реверсивного счетчика 6 в аналоговом виде, на фиг. 2, в - сигнал U₁₃ на выходе четвертого порогового блока 13.

Реле тока работает следующим образом.

При включении реле тока питание подается на все его элементы в том числе на вход запуска одновибратора 12, который вырабатывается импульс, поступающий на вход установки в начальное состояние реверсивного счетчика 6, на вход запуска ГТИ 10 и на входы установки в нулевое состояние счетчика 19 импульсов и RS-триггера 20. Начальное состояние реверсивного счетчика 6 целесообразно устанавливать равным или несколько выше порогового уровня исполнительного элемента Uиэ (фиг. 2, б). На вход промежуточного трансформатора 1 тока, который является информационным входом реле тока, поступает входной сигнал, поэтому на выходе выпрямителя 2 формируется двухполупериодное выпрямленное и несглаженное напряжение U₂ (фиг. 2, а). Это напряжение сравнивается в первом пороговым блоке 3 с опорным уровнем Uоп, которое может выбираться исходя из допустимых изменений величины тока в обычных условиях эксплуатации защищаемой цепи. Если напряжение больше опорного уровня, то уровень логической единицы формируется на выходе «больше» первого порогового блока 3, в противном случае - на его выходе «меньше». В первом случае импульсы ГТИ 10 через второй элемент 5 И поступают на вход вычитания реверсивного счетчика 6, во втором случае - импульсы ГТИ 10 через первый элемент 4 И поступают на его вход сложения (фиг. 2, б) после снижения частоты импульсов в делителе 11 частоты импульсов.

В начале работы реле тока RS-триггер 20 находится в нулевом состоянии и, следовательно, открытым является второй ключ 23, что позволяет исключить из работы двухсторонний ограничитель 15. Следовательно, в фильтр-усреднитель 17 поступает практически без искажений (на входы блока 14 вычитания и сумматора 16 поступает один и тот же сигнал с выхода фильтра-усреднителя 17) выходной сигнал реверсивного счетчика 6 и формируется текущая усредненная оценка выходного сигнала реверсивного счетчика 6. При значительном увеличении амплитуды входного тока сигнал Е₆ на выходе реверсивного счетчика 6 относительно быстро станет ниже порогового уровня исполнительного элемента Uиэ, что приведет к формированию в сигнале U₁₃ на выходе четвертого порогового блока 13 уровня логической единицы (например, сигнала короткого замыкания КЗ) и срабатыванию замыкающего контакта реле тока.

При заполнении счетчика 19 импульсов (через несколько заданных полупериодов тока по импульсам, поступающим от формирователя 18 коротких импульсов, работающего по перепаду входного напряжения с уровня логического нуля на уровень логической единицы) на его выходе переполнения формируется перепад напряжения, который переводит RS-триггер 20 в единичное состояние, в результате чего закрывается второй ключ 23 и открывается первый ключ 22, что позволяет ввести в работу двухсторонний ограничитель 15. В этом случае при наличии аномальных искажений тока двухсторонний ограничитель 15 сглаживает эти искажения (которые проявляются через резкое возрастание или уменьшение уровня сигнала на выходе блока 14 вычитания) и тем самым повышается помехоустойчивость реле тока.

Второй 7 и третий 8 пороговые блоки обеспечивают устойчивость работы реле тока. При длительной работе в нормальном режиме, когда входной ток находится в допустимых пределах, они не позволяют превысить максимально заданный уровень сигнала Uп+ реверсивного счетчика 6, при недопустимо большом уровне входного сигнала - не позволяет стать меньше минимально заданного уровня сигнала Uп-. При выходе сигнала реверсивного счетчика 6 за указанные пороги уровни сигналов логической единицы с выхода второго 7 или третьего 8 пороговых блоков подаются на инверсные входы, соответственно, первого 4 или второго 5 элементов И, что исключает подачу счетных импульсов на соответствующий вход реверсивного счетчика 6. В остальных случаях уровни логического нуля, подаваемые с выходов второго 7 и третьего 8 пороговых блоков на инверсные входы первого 4 и второго 5 элементов И открывают их для счетных импульсов.

Таким образом, предложенное устройство, благодаря дополнительно введенным элементам и связям, обладает более высокой помехоустойчивостью, поскольку существенно уменьшается влияние кратковременных аномальных искажений входного сигнала.

Источники информации

[1] Электротехнический справочник, в 4-х томах, т. 2. Электротехнические изделия и устройства. Под общей редакцией В.Г. Герасимова и др. - М.: Издательство МЭИ, 1998 г., с. 390, рис. 35.10.

[2] Ченобровов Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998, с. 112, рис. 2.66.

[3] Букреев и др. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. - М.: Советское радио, 1975.