Результат интеллектуальной деятельности: ИСТОЧНИК КОНТРОЛЬНОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике, а именно к области релейной защиты, и может быть использовано в устройствах 100% защиты от однофазных замыканий на землю в обмотке статора генератора.

Известны устройства 100% защиты от однофазных замыканий на землю в обмотке статора генератора, содержащие источник контрольного тока (далее по тексту ИКТ) частоты f=25 Гц и терминал релейной защиты («Устройство для защиты от замыканий на землю в сетях с компенсацией емкостного тока», RU 2268524 С1, Публ.: 20.01.2006 и RU 2402130 С1, опубликовано 20.10.2010; «Защита от замыканий на землю обмоток статоров генераторов, работающих на общие шины» / Вайнштейн Р.А., Понамарев Е.А. и др. // Энергетик. - 2009. - №1. - Стр. 40. - Рис. 4).

В известных устройствах в качестве ИКТ используется электромагнитный параметрический (ферромагнитный) делитель частоты питающей сети f=50 Гц на два.

При безусловной простоте конструктивного исполнения и надежности функционирования ферромагнитный делитель частоты на два имеет существенный недостаток, а именно значительную массу, габариты и невысокий коэффициент полезного действия из-за наличия в его составе индуктивных элементов с насыщающимися стальными сердечниками.

Известны устройства защиты (ABB. Auxiliary unit for REG216/316*4 for 100% stator and rotor earth fault protection. REX010/011. 1MRB520123-Ben // [Электронный ресурс]. March 2003. http://www05.abb.com/global/scot/scot296.nsf/veritydisplav/505001dc3dblaclbcl25745700428f69/$file/lMRB520123BEN_A_enREX010_011_Auxiliary_unit_for_REG216_316_4_for_100_stator_and rotor earth-fault_protection.pdf; Siemens. Руководство по эксплуатации. Генератор напряжения 20 Гц. 7ХТ33000*А00/DD //[Электронный ресурс]. 2009. - http://siemensrussia.com/titan_img/ecatalog/7XT33xx_Manual_A1_V040003_en_ru.pdf), в которых в качестве ИКТ используется однофазный транзисторный инвертор напряжения, в котором отсутствуют вышеуказанные недостатки ферромагнитного делителя частоты.

Общим недостатком известных ИКТ является то, что они не позволяют оперативно регулировать величину контрольного тока (напряжения), например увеличения его при обнаружении первых признаков ухудшения изоляции защищаемой статорной обмотки генератора, с целью надежного и достоверного измерения параметров цепи замыкания на землю и устранения «ложных» срабатываний защиты.

Следует отметить, что в устройствах компаний ABB и Siemens задание требуемого значения контрольного тока выполнено неэффективным аппаратным способом с помощью нагрузочного и дополнительного резисторов. В устройстве Siemens дополнительный резистор входит в состав полосового фильтра.

Наиболее близким аналогом, принятым за прототип предлагаемого изобретения, является однофазный мостовой инвертор напряжения (RU 2421870 С1, опубликовано: 20.06.2011), который может использоваться в качестве источника контрольного тока, содержащий выпрямитель (блок питания), мостовой преобразователь, выполненный на полупроводниковых ключах с шунтирующими обратными диодами, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, два идентичных канала управления транзисторными ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов соответственно длительностью t₁, t₂ и регулирующий орган, соединенные между собой и полупроводниковыми ключами соответствующим образом.

Прототип выполнен с возможностью оперативного регулирования величины выходного напряжения (тока) по управляющему сигналу U_p регулирующего органа.

Однако прототип обладает недостатками, среди которых:

- сложность системы управления мостового преобразователя и, соответственно, аппаратная ненадежность, обусловленная использованием в устройстве значительного количества формирователей управляющих импульсов длительностью t₁, t₂;

- функциональная ненадежность в работе, обусловленная некорректным исключением из состава устройства конденсатора (емкостного фильтра) на выходе блока питания. В случае потери управляемости системы управления (переходе в закрытое состояние полупроводниковых ключей) энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, выделится в виде перенапряжения в цепи питания мостового преобразователя, что может привести к «пробою» полупроводниковых ключей. Указанный недостаток может возникнуть и при некорректном выборе длительности t₂, а именно переключении полупроводниковых ключей при ненулевом значении тока в нагрузке.

Технический результат заявленного устройства - упрощение системы управления мостового преобразователя и повышение надежности работы при использовании его в составе 100% защиты от однофазных замыканий на землю в статорной обмотке генератора.

Технический результат достигается тем, что в источник контрольного тока, содержащий блок питания, мостовой преобразователь, выполненный на полупроводниковых ключах с обратными диодами, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, содержащую генератор тактовых импульсов и регулирующий орган с входами управления, при этом мостовой преобразователь подключен к выходным цепям блока питания и к активно-индуктивной нагрузке по соответствующим цепям, введены емкостный фильтр, диод и блок ограничения напряжения, в систему управления введены Т- и Д-триггеры с прямым и инверсным выходами, при этом емкостный фильтр подсоединен к цепям питания мостового преобразователя, а введенный диод - в одну из выходных цепей блока питания; блок ограничения напряжения выполнен на полупроводниковом ключе с последовательно включенным разрядным резистором и пороговым элементом в цепи управления полупроводникового ключа, причем вход порогового элемента подключен параллельно введенному диоду, а полупроводниковый ключ с разрядным резистором подключен параллельно емкостному фильтру, регулирующий орган содержит вход синхронизации, соединенный с входом Т-триггера и выходом генератора тактовых импульсов, а Д-триггер содержит Д- и С-входы, подключенные соответственно к прямому выходу Т-триггера и выходу регулирующего органа, выходы Д- и Т-триггеров подсоединены к управляющим цепям полупроводниковых ключей мостового преобразователя. Регулирующий орган выполнен в виде блока регулируемой временной задержки.

Сущность заявленного технического решения заключается в том, что введение в систему управления Т- и Д-триггеров, а также выполнение оригинальных связей обеспечило упрощение системы управления и соответственно повышение аппаратной надежности за счет исключения сложных формирователей управляющих импульсов длительностью t₁, t₂. Введение емкостного фильтра, блока ограничения напряжения и диода с подключением последнего в одну из выходных цепей блока питания, а также подключение входа порогового элемента параллельно диоду позволило реализовать функционально надежный алгоритм защитного ограничения напряжения полупроводниковых ключей мостового преобразователя, а именно включения (отключения) разрядного резистора по уровню разности напряжений между емкостным фильтром и блоком питания ΔU=U_ф-U_П, где U_ф - напряжение на емкостном фильтре, а U_п - напряжение на выходе блока питания. В результате отключение разрядного резистора производится при ΔU≈0 и не зависит от величины и изменений напряжения на выходе блока питания U_П. Таким образом устранены условия функциональной ненадежности устройства.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема ИКТ, на которой приняты следующие обозначения:

1 - блок питания, преобразующий напряжение питающей сети в напряжение постоянного тока требуемого уровня;

2 - мостовой преобразователь, выполненный на четырех полупроводниковых ключах VT1…VT4 с обратными диодами;

3 - активно-индуктивная нагрузка;

4 - система управления мостового преобразователя;

5 - генератор тактовых импульсов;

6 - регулирующий орган с входами управления;

7 - емкостной фильтр;

8 - диод;

9 - блок ограничения напряжения;

10, 11 - Т- и Д-триггеры;

12 - полупроводниковый ключ с разрядным резистором;

13 - пороговый элемент;

U_p - управляющий сигнал блока 6;

U_c - напряжение питающей сети.

На фиг. 2 представлены временные диаграммы напряжений ИКТ, где приняты следующие обозначения:

U₅, U₁₀, U₆, U₁₁ - выходные сигналы соответственно генератора тактовых импульсов, Т-триггера, регулирующего органа (Δt_з=kU_p) и D-триггера;

U₂ - напряжение на выходе мостового преобразователя;

А - диаграмма включенного состояния полупроводниковых ключей мостового преобразователя;

U_п - величина выходного напряжения блока питания;

T_T, Т - период частоты соответственно генератора тактовых импульсов и выходного напряжения мостового преобразователя, в данном случае ИКТ.

На фиг. 3 представлена схема ИКТ в составе 100% защиты от однофазных замыканий на землю в обмотке статора генератора, где приняты следующие обозначения:

14 - генератор;

15 - фильтр присоединения;

16 - трехфазный трансформатор;

17 - терминал релейной защиты;

18 - омическое (переходное) сопротивление статорной обмотки генератора сопротивления;

I_k, U_k - контрольный ток и напряжение.

ИКТ, содержащий блок питания 1, мостовой преобразователь 2, выполненный на полупроводниковых ключах VT1…VT4, активно-индуктивную нагрузку 3, систему управления 4, содержащую генератор тактовых импульсов 5 и регулирующий орган 6 с входам управления, при этом мостовой преобразователь 2 подключен к выходным цепям блока питания 1 и нагрузке 3 по соответствующим цепям, введены емкостной фильтр 7, диод 8 и блок ограничения напряжения 9, в систему управления введены Т- и Д-триггеры 10, 11 с прямым и инверсным выходами, при этом емкостной фильтр 7 подсоединен к цепям питания мостового преобразователя 2, а введенный диод - в одну из выходных цепей блока питания; блок ограничения напряжения 9 выполнен на полупроводниковом ключе с последовательно включенным разрядным резистором 12 и пороговом элементе 13 в цепи управления полупроводникового ключа, причем вход порогового элемента подключен параллельно введенному диоду 8, а полупроводниковый ключ с разрядным резистором 12 подключен параллельно емкостному фильтру 7, регулирующий орган 6 содержит вход синхронизации, соединенный с входом Т-триггера 10 и выходом генератора тактовых импульсов 5, D- и С-входы Д-триггера 11 подключены соответственно к прямому выходу Т-триггера 10 и к выходу регулирующего органа 6, выходы триггеров 10,11 подключены к управляющим цепям полупроводниковых ключей VT1…VT4 мостового преобразователя 2. Регулирующий орган 6 выполнен в виде блока регулируемой временной задержки.

Работа устройства происходит следующим образом. В рабочем состоянии устройства генератор тактовых импульсов 5 формирует на выходе узкие импульсы с частотой f_T, которые поступают на вход Т-триггера 10 и вход регулирующего органа 6. Выходные сигналы Т-триггера с прямого и инверсного выходов подаются на управляющие цепи полупроводниковых ключей VT1, VT2. В результате обеспечивается поочередное переключение VT1, VT2 с частотой f=2f_T. Одновременно D-триггер 11, по своему прямому назначению, повторяет выходные сигналы Т-триггера 10 на своих выходах с временной задержкой Δt_з (фазовым сдвигом φ=2πf_TΔt_з) формируемым блок регулирующим органом 6 Δt_з=kU_p. Выходными сигналами D-триггера производится поочередное переключение полупроводниковых ключей VT3, VT4. При нулевом значении управляющего напряжения U_p=0, Δt_з=0 происходит синфазное (одновременное) включение и отключение полупроводниковых ключей VT1 и VT3, VT2 и VT4 и на выходе инвертора отсутствует переменное напряжение. При подаче управляющего напряжения U_p>0, Δt_з>0 на выходе мостового преобразователя 2 формируется переменное напряжение U₂ прямоугольной формы с частотой f и длительностью меандров положительной и отрицательной полярности Δt_з, см. фиг. 2а, б.

Действующее значение выходного напряжения мостового преобразователя, являющегося выходом ИКТ, определяется следующим соотношением:

, где U_п - напряжение на выходе блока питания 1. Характер протекания тока в цепях мостового преобразователя 2, емкостного фильтра 7 и активно-индуктивной нагрузке 3 определяется параметрами нагрузки Z_н=R_н+j2πfL_н, величиной выходного напряжения U₂ и его частотой f. Величина емкости фильтра выбирается из условий допустимой величины переменной составляющей тока в цепи емкостного фильтра и пульсаций напряжения в цепи питания в штатном режиме работы устройства. При возникновении аварийной ситуации, например аварийного увеличения тока в нагрузке (I_н=I_max, R_н→0) и защитного выключения полупроводниковых ключей по максимальному току, электромагнитная энергия, запасенная в индуктивной составляющей нагрузки выделится через обратные диоды полупроводниковых ключей VT1…,VT4 в виде аварийного повышения напряжения на емкостном фильтре 7. В этом случае вступает в работу блок ограничения напряжения 9. При превышении напряжения емкостного фильтра 7 напряжения блока питания 1 диод 8 закрывается и на нем выделяется разность напряжений ΔU=U_ф-U_п, которая прикладывается к входу порогового элемента 13. Пороговый элемент выполнен с порогами включения и отключения , U_отл≈0. В момент повышения напряжения на емкостном фильтре до максимально-допустимого значения происходит включение порогового элемента и полупроводникового ключа с разрядным резистором. Соответственно, происходит разряд емкостного фильтра до напряжения U_ф≈U_п, при котором происходит выключение порогового элемента 13 и прекращение разряда емкостного фильтра 7. Надежность гарантированного выключения ключа 12 обеспечивается тем, что при U_ф=U_п диод 10 открывается и на нем при токах (1÷5)мА скачком появляется напряжение ΔU=(0,6÷0,8) В прямой полярности, надежно переключающее пороговый элемент 13 и ключ 12 в выключенное состояние. Тем самым исключается режим аварийной загрузки блока питания 1 током разрядной цепи 12. В данном устройстве диод 8 выполняет оригинальные функции элемента выделения разности напряжений и высокоточного датчика направления протекания тока.

В целом устройство при минимальных аппаратных затратах содержит все необходимые функциональные узлы и оригинальные соединения для надежной работы в составе 100% защиты от однофазных замыканий на землю в статорной обмотке генератора.

Работа устройства в составе 100% защиты от однофазных замыканий на землю в статорной обмотке генератора происходит следующим образом. При использовании данного устройства по прямому назначению его выход подключается к статорной обмотке защищаемого генератора 14 через полосовой фильтр 15 и специальный трехфазный трансформатор 16, а именно к его вторичной обмотке, соединенной по схеме открытого треугольника, см фиг. 3. Терминал релейной защиты 17 измеряет так называемые контрольный ток I_к и напряжение U_к, частоты f_к=25 Гц на входе «открытого треугольника» аналогично известным устройствам ABB и Siemens и общеизвестным методом вычисляет величину омического сопротивления изоляции R_пер 18 статорной обмотки генератора 14. При обнаружении уменьшения сопротивления изоляции ниже допустимой величины терминал защиты выдает команду аварийного состояния защищаемого генератора.

Величина контрольного напряжения U_к задается в данном устройстве по цепи управления U_p, из условий требуемой чувствительности защиты, непревышения допустимого уровня контрольного напряжения на статорных обмотках генератора 14 и мощности трансформатора 16. В указанной защите с предлагаемым устройством достигнуты новые функциональные возможности за счет возможности регулирования величины контрольного напряжения (тока):

- оперативного тестирования уровня шумов при задании U_p=0(U_к≈0, I_к≈0) с целью отстройки от них;

- оперативного кратковременного задания максимального контрольного напряжения (тока) при выявлении первых признаков ухудшения изоляции генератора с повторным измерением и вычислением R_пеp при максимальных значениях U_к, I_к и тем самым достижения максимальной достоверности и надежности выявления аварийного состояния генератора.

В случаях однофазного замыкания статорной обмотки в части ближе к выводам на выходе «открытого треугольника» трансформатора 16 появляется напряжение нулевой последовательности U₀ частоты f=50 Гц значительной величины U₀>>U_п. Величина тока нулевой последовательности I_о частоты 50 Гц замыкается в выходную цепь ИКТ и ограничивается полосовым фильтром 15, настроенным на частоту резонанса f_p=f_к=25 Гц. В случае невыполнения условия из-за изменения выходной частоты генератора 14 или ИКТ возможно появление постоянной составляющей тока в цепи емкостного фильтра и его заряда до величины . В этом случае вступает в работу блок ограничения напряжения 7, обеспечивая работоспособность устройства и защиты.

В целом устройство в сравнении с известными обладает существенными элементами новизны, обеспечивающими повышение надежности в работе и достоверности выявления однофазных на землю в статорной обмотке генератора при использовании его в составе соответствующей защиты.

В настоящее время наша организация изготовила опытный образец ИКТ- ШКТ01-2842 УХЛЧ зав №001 и провела квалифицированные испытания. По результатам испытаний принято решение о постановке изделия в промышленную эксплуатацию в составе микропроцессорной защиты генератора типоисполнения ШЭ111Х.