МИКРОПРОЦЕССОРНОЕ УСТРОЙСТВО РЕЛЕЙНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ДУГОВЫХ ЗАМЫКАНИЙ

Полезная модель относится к автоматике и вычислительной технике, в частности, к устройствам управления, и может быть использована для защиты комплектных распределительных устройств электрических подстанций при возникновении коротких замыканий, сопровождаемых открытой электрической дугой, а также для защиты обслуживающего персонала от травм и повреждений при электрических авариях, связанных с открытой электрической дугой.
Известное устройство - процессорная система расцепления выключателя с надежным дисплеем состояния системы выключателя [А.С.РСТ (WO) Н 02 Н 3/093, 3/24 №91/03828 Б.И. №7 1990], содержащая жидкокристаллический индикатор с сегментом, батарею питания, ручной выключатель, защелку, транзисторы, процессор позволяет управлять выключателем, обладает большей надежностью за счет использования малопотребляющей цепи индикации расцепления, но не защищает от дуговых замыканий.
Устройство для контроля и управления [А.С. (SU) G 06 F 15/46 №1624481 Б.И. №4 1991], содержащее генератор тактовых импульсов, элемент ИЛИ, два счетчика, два дешифратора, (к+2) - блоков элементов ИЛИ, (к+1)-блоков элементов И, к- регистров уставок, схему сравнения, элемент И, элемент НЕ, к- выходных групп элементов И, блок формирования команд регулировки параметров и блок задержки управляет выключателями, но также не защищает от дуговых замыканий.
Наиболее близким техническим решением является устройство противоаварийной автоматики [А.С. (RU) 7 H 02 H 3/00 №2221318. Дата публикации - 2004.01.10] содержащее пять регистров, два счетчика, дешифратор, блок элементов И, два элемента НЕ, блок формирования команд, n - входных узлов, счетный узел, коммутатор, два шинных формирователя, узел блокировки и m - реле c m - резисторами, обеспечивает местное и дистанционное управление выключателями, но у него также отсутствует функция защиты от дуговых замыканий.
Цель изобретения - расширение функциональных возможностей устройства за счет введения функции защиты от дуговых замыканий.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство содержащее пять регистров, дешифратор, блок элементов И, два элемента НЕ, блок формирования команд, n - входных узлов, коммутатор, два шинных формирователя, узел блокировки и m - реле c m - резисторами, причем входы n - входных узлов являются первой группой входов устройства, первая и вторая группа входов-выходов блока формирования команд является первой и второй группой входов-выходов устройства, цепи контактов реле являются третьей группой входов-выходов устройства, группа входов дешифратора соединена с группой выходов первого шинного
формирователя, группа входов которого соединена с первой группой входов-выходов коммутатора и третьей группой входов-выходов блока формирования команд, выход сброса которого соединен с первым входом узла блокировки, второй вход которого соединен с выходом второго элемента НЕ, вход которого соединен с первыми управляющими входами четвертого и пятого регистров и первым выходом первого шинного формирователя, второй выход которого соединен со входом первого элемента НЕ и с первым входом коммутатора, второй вход которого соединен с третьим выходом первого шинного формирователя, выход первого элемента НЕ соединен с первым входом первого регистра, группа входов которого соединена с выходами n-узлов входа, второй вход первого регистра соединен с третьим выходом дешифратора, второй выход которого соединен с первым входом второго регистра, группа выходов которого соединена с группами выходов второго шинного формирователя и первого регистра, с первой группой входов блока элементов И, с группами входов третьего и четвертого регистров и со второй группой входов-выходов коммутатора, второй вход четвертого регистра соединен с четвертым выходом дешифратора, первый выход которого соединен со входом третьего регистра, группа выходов которого соединена со второй группой входов блока элементов И, группа выходов которого соединена с группой входов пятого регистра, второй вход которого соединен с пятым выходом дешифратора, седьмой и восьмой выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами второго шинного формирователя, каждый вход из группы входов которого соединен через соответствующий резистор со входом соответствующей m - ой обмотки реле и соответствующим выходом четвертого или пятого регистра, выходы узла блокировки соединены с выходами обмоток реле, отличающееся тем, что в него введены две группы х и у - входных узлов, z-регистраторы сигналов от фототиристорных датчиков и q-регистраторы сигналов от волоконно-оптических датчиков, входы которых являются второй группой входов устройства, третья группа входов которого является входами z- регистраторов сигналов от фототиристорных датчиков, выходы всех регистраторов сигналов соединены с соответствующими входами входных узлов х и у, выходы которых соединены с группой входов второго регистра, причем регистратор сигналов от волоконно-оптических датчиков содержит к- усилителей сигналов, три группы по к- резисторов, микропроцессор, к -светодиодов, к- оптопар транзисторных и к- варисторов, причем регистратор сигналов от фототиристорных датчиков содержит р-диодов, р-узлов гальванической развязки, микропроцессор, р-резисторов и р-светодиодов, причем входной узел содержит четыре резистора, два диода, конденсатор, компаратор и оптопару транзисторную, причем входы регистратора сигналов от волоконно-оптических датчиков являются входами усилителей сигналов, выходы которых соединены со входами соответствующих резисторов первой и второй группы, выходы резисторов первой группы соединены с цепью питания, выходы резисторов второй группы соединены
со входами микропроцессора, первая группа выходов которого соединена с катодами к - светодиодов, аноды которых соединены с цепью питания, с которой соединены первые входы к - оптопар, вторые входы которых соединены со входами резисторов третьей группы, выходы которых соединены с второй группой выходов микропроцессора, первые и вторые выходы к - оптопар являются выходами регистратора сигналов и соединены со входами и выходами соответствующих к - варисторов, причем входы регистратора сигналов от фототиристорых датчиков являются входами р-гальванических развязок и анодами р - диодов, катоды которых являются выходами регистратора сигналов, выходы гальванических развязок соединены со входами микропроцессора, выходы которого соединены со входами р -резисторов, выходы которых соединены с катодами соответствующих р - светодиодов, аноды которых соединены с цепью питания, причем входы входного узла являются входами первого и второго резисторов, выход второго резистора соединен с анодом первого диода, со входом конденсатора, с первыми входами компаратора и оптопары, второй вход которой, соединен со входом четвертого резистора, выход которого соединен с выходом компаратора и с выходом третьего резистора, вход которого соединен со вторым входом компаратора, с выходом конденсатора и с катодом второго диода, анод которого соединен с катодом первого диода и выходом первого резистора, первый выход оптопары соединен с цепью питания, второй выход оптопары является выходом входного узла.
На фиг.1 приведена структурная схема устройства;
на фиг.2 - блок формирования команд управления;
на фиг.3 - узел блокировки;
на фиг.4 - входной узел;
на фиг.5 - регистратор сигналов от волоконно-оптических датчиков;
на фиг.6 - регистратор сигналов от фототиристорных датчиков;
на фиг.7 - пример соединения устройства с датчиками и выключателями
На фиг.1 обозначены:
1
q
1...1 - регистраторы сигналов от волоконно-оптических датчиков;
1
z
2-2 - регистраторы сигналов от фототиристорных датчиков;
3 - устройство управления;
1
N
1
х
1
у
4 - 4 4 - 4, 4 - 4- первая, вторая и третья группа входных узлов;
5 - блок формирования команд;
6 - первый регистр типа КР1554ИР23 или аналогичный;
7 - второй регистр типа КР1554АП5 или аналогичный;
8 - первый элемент НЕ типа КР1554ЛН1 или аналогичный;
9 - коммутатор типа КР1554АП9 или аналогичный;
10 - первый шинный формирователь типа КР1554АП5 или аналогичный;
11 - третий регистр типа КР1554ИР23 или аналогичный;
12 - дешифратор типа КР1554ИД7 или аналогичный;
13 - второй элемент НЕ типа КР1554ЛН1 или аналогичный;
14 - четвертый регистр типа КР1554ИР41 с усилителями Дарлингтона типа МСТ1413ВР на выходе (на схеме для упрощения не показаны) или аналогичный;
15 - блок элементов И типа КР1554ЛИ1 или аналогичный;
16 - пятый регистр типа КР1554ИР41 с усилителями Дарлингтона типа МСТ1413ВР на выходе (на схеме для упрощения не показаны) или аналогичный;
17 - узел блокировки;
1
m
18...18 - реле типа RM83-1021-3 5-1024 фирмы "RELOOL" или аналогичное;
1
м
К...К - цепи контактов реле составляющие третью группу входов-выходов;
1
M
R...R- резисторы типа С2-23 или аналогичные;
19 - второй шинный формирователь типа КР1554АПЗ или аналогичный;
20 - линии дискретных входных сигналов;
21 - линии входных сигналов от волоконно-оптических датчиков;
22 - линии входных сигналов от фототиристорных датчиков;
23 - шина связи с ПЭВМ;
24 - шина связи с АСУ;
25 - линия сигнала "RESET";
26 - шина адрес/данные/управление;
На фиг.2 обозначены:
27 - центральный процессор типа AT89C52-24PI или аналогичный (для упрощения схемы не показан резонатор и цепи управления);
27-1 - супервизор типа ADM693AN фирмы "ANALOG DEVICES" или аналогичный;
28 - часы реального времени типа RTC72423B фирмы "EPSON" или аналогичные;
29 - ПЗУ типа АТ28С256 или аналогичное;
30 - ОЗУ типа SRM2A256LLCT или аналогичное;
31 - набор буферных регистров типа КР1554ИР23 или аналогичных;
32 - индикаторы;
33 - клавиатура (кнопка "Сброс");
34 - набор буферных регистров типа КР1554ИР23 или аналогичных;
35 - ОЗУ типа SRM2A256LLCT или аналогичное;
36 - микропроцессор типа AT89C52-24PI или аналогичный (для упрощения схемы не показан резонатор и цепи управления);
37 - набор шинных формирователей типа КР1554АП5 или 74НС244 или аналогичных;
38, 39 - драйверы для связи с АСУ и ПЭВМ типа ADM232AAN фирмы "ANALOG DEVICES" или аналогичные;
На фиг.3 обозначены:
R1...R5 - резисторы типа С2-33Н или аналогичные;
V - диод типа 2D510А или аналогичный;
Т1 - транзистор типа КТЗ 102А или аналогичный;
Т2 - транзистор типа КТ837Е или аналогичный.
На фиг.4 обозначены:
R1...R4 - резистор типа RC 1206 фирмы "Yageo" или аналогичные;
V1, V2 - диоды типа BAV99 фирмы "PHI" или аналогичные;
С - конденсатор типа TAJ фирмы "AVX" или аналогичный;
40 - компаратор - микросхема типа MC33164D-5 фирмы "Motorola" или аналогичный;
DV - оптопара транзисторная типа TLP281GB фирмы "Toshiba" или аналогичная;
На фиг.5 обозначены:
1
K
41...41 - усилитель сигналов - микросхема типа HFBR-2412M фирмы "Hewlett-Packard" или аналогичный;
1
K
1
K
1
K
R1...R1, R1...R2, R3...R3, - резисторы типа RC 1206 фирмы "Yageo" или аналогичные;
42 - микропроцессор типа PIC16F628-I/SO фирмы "Microchip" или аналогичный;
1
K
F-F - светодиоды (индикатор единичный) типа LS3369-EH фирмы "Infineon" или аналогичные;
1
K
DV - DV - оптопара транзисторная типа PVT422 фирмы "International Rectifer" или аналогичная;
1
K
RU...RU - варистор типа 592-275/2322 592 52716 фирмы "PHI" или аналогичные;
На фиг.6 обозначены:
p
V1...V - диод типа BYD17M фирмы "PHI" или аналогичный;
1
р
43 - 43 - узел гальванической развязки;
44 - микропроцессор типа PIC16F628-I/SO фирмы "Microchip" или аналогичный;
1
P
R...R - резисторы RC 1206 фирмы "Yageo" или аналогичные;
1
P
F - F - светодиоды (индикатор единичный) типа LS3369-EH фирмы "Infineon" или аналогичные;
R1...R5 - резисторы RC 1206 фирмы "Yageo" или аналогичные;
T
R - терморезистор типа В59339-А1122-Р20 фирмы "Epcos" или аналогичный;
DV - оптопара транзисторная типа TLP281GB фирмы "Toshiba" или аналогичная;
С - конденсатор типа СС 1206 фирмы "Yageo" или аналогичный.
На фиг.7 обозначены;
45 - выключатель трансформатора;
1
2
3
46, 46, 46 - цепи максимальной токовой защиты;
47 - вводной выключатель;
48 - секционный выключатель;
49 - промышленное реле;
50 - смежная секция;
1
R
1
S
ФТД...ФТДр, ФТД...ФТД - фототиристорные датчики;
Т - трансформатор;
1
d
Л...Л - высоковольтные выключатели;
ВОД1...ВОДL, ВОД1...ВОДi,...ВОД1...ВОДа - волоконно-оптические датчики.
Блок формирования команд 5 реализован в соответствии с фиг.2 прототипа и может быть также реализован на базе микропроцессорной системы в соответствии с [Н.Н.Чернобров, В.А.Семенов, "Релейная защита энергетических систем" 1998 г., Стр.778-783]. Подробная информация о микропроцессорной системе приведена там же на Стр.778-783.
Узел блокировки на фиг 3 реализован в соответствии с фиг.5 прототипа.
Схемы этих узлов приведены для описания работы устройства.
В схемах регистраторов сигналов не показаны узлы питания, цепи программирования микропроцессора и цепи формирования сигнала "Сброс" от кнопки.
Микропроцессорное устройство релейной защиты от дуговых замыканий содержит пять регистров 6, 7, 11, 14, 16, дешифратор 12, блок элементов И 15, два элемента НЕ 8 и 13, блок формирования команд 5, три группы 4n, 4х и 4у - входных узлов, коммутатор 9, два шинных формирователя 10 и 19, узел блокировки 17 и m - реле 18 c m - резисторами R, 2z- регистраторы сигналов от фототиристорных датчиков и 1q- регистраторы сигналов от волоконно-оптических датчиков, входы 20 4n - входных узлов являются первой группой входов устройства, первая 23 и вторая 24 группа входов-выходов блока формирования команд 5 является первой и второй группой входов-выходов устройства, цепи контактов К реле 18 являются третьей группой входов-выходов устройства, группа входов дешифратора 12 соединена с группой выходов первого шинного формирователя 10, группа входов которого соединена с первой группой входов-выходов 26 коммутатора 9 и третьей группой входов-выходов блока формирования команд 5, выход сброса 25 которого соединен с первым входом узла блокировки 17, второй вход которого соединен с выходом второго элемента НЕ 13, вход которого соединен с первыми управляющими входами четвертого 14 и пятого 16 регистров и первым выходом первого шинного формирователя 10, второй выход которого соединен со входом первого элемента НЕ 8 и с первым входом коммутатора 9, второй вход которого соединен с третьим выходом первого шинного формирователя 10, выход первого элемента НЕ 8 соединен с первым входом первого регистра 6, группа входов которого соединена с выходами 4n-узлов входа, второй вход первого регистра 6 соединен с третьим выходом дешифратора 12, второй выход которого соединен с
u
u
первым входом второго регистра 7, группа выходов которого соединена с группами выходов второго шинного формирователя 19 и первого регистра 6, с первой группой входов блока элементов И 15, с группами входов третьего 11 и четвертого 14 регистров и со второй группой входов-выходов коммутатора 9, второй вход четвертого регистра 14 соединен с четвертым выходом дешифратора 14, первый выход которого соединен со входом третьего регистра 11, группа выходов которого соединена со второй группой входов блока элементов И 15, группа выходов которого соединена с группой входов пятого регистра 16, второй вход которого соединен с пятым выходом дешифратора 12, седьмой и восьмой выходы которого соединены, соответственно, с первым и вторым входами второго шинного формирователя 19, каждый вход из группы входов которого соединен через соответствующий резистор R со входом соответствующей m-ой обмотки реле 18 и соответствующим выходом четвертого 14 или пятого 16 регистра, выходы узла блокировки 17 соединены с выходами обмоток реле 18, входы 21 1q - регистраторов сигналов от волоконно-оптических датчиков являются второй группой входов устройства, третья группа входов которого является 22 входами 2z- регистраторов сигналов от фототиристорных датчиков, выходы всех регистраторов сигналов соединены с соответствующими входами входных узлов 4х и 4у, выходы которых соединены с группой входов второго регистра 7, регистратор сигналов от волоконно-оптических датчиков 1 содержит 41 к - усилителей сигналов, три группы по к- резисторов R, микропроцессор 42, к - светодиодов F, к- оптопар транзисторных DV и к-варисторов R, регистратор сигналов от фототиристорных датчиков 2 содержит р-диодов V, р-узлов гальванической развязки 43, микропроцессор 44, р-резисторов R и р-светодиодов F, входной узел 4 содержит четыре резистора R, два диода V, конденсатор С, компаратор 40 и оптопару транзисторную DV, входы регистратора сигналов от волоконно-оптических датчиков 21 являются входами усилителей сигналов 41, выходы которых соединены со входами соответствующих резисторов первой R1 и второй R2 группы, выходы резисторов первой группы соединены с цепью питания, выходы резисторов второй группы соединены со входами RA микропроцессора 42, первая группа выходов RB которого соединена с катодами к - светодиодов F, аноды которых соединены с цепью питания, с которой соединены первые входы к - оптопар DV, вторые входы которых соединены со входами резисторов третьей группы R3, выходы которых соединены с второй группой выходов RC микропроцессора 42, первые и вторые выходы к - оптопар DV являются выходами регистратора сигналов 1 и соединены со входами и выходами соответствующих к - варисторов R, входы 22 регистратора сигналов от фототиристорых датчиков 2 являются входами р- гальванических развязок 43 и анодами р - диодов V, катоды которых являются выходами регистратора сигналов 2, выходы гальванических развязок 43 соединены со входами RA микропроцессора 44, выходы RB которого соединены со входами р -резисторов R, выходы которых соединены с катодами соответствующих р - светодиодов F, аноды
которых соединены с цепью питания, входы 20 входного узла 4 являются входами первого R1 и второго R2 резисторов, выход второго резистора R2 соединен с анодом первого диода VI, со входом конденсатора С, с первыми входами 4 компаратора 40 и 2 оптопары DV, второй вход 1 которой, соединен со входом четвертого резистора R4, выход которого соединен с выходом 1 компаратора 40 и с выходом третьего резистора R3, вход которого соединен со вторым входом 2 компаратора 40, с выходом конденсатора С и с катодом второго диода V2, анод которого соединен с катодом первого диода VI и выходом первого резистора R1, первый выход 3 оптопары DV соединен с цепью питания, второй выход 4 оптопары DV является выходом входного узла.
Устройство обеспечивает:
- управление выключателями;
- контроль положения выключателя, выдачу сигнала аварийного отключения выключателя, контроль цепей управления выключателя с выводом информации на пульт, выходные реле и по последовательным каналам;
- получение дискретных управляющих сигналов, выдачу команд управления, аварийной и предупредительной сигнализации;
- получение и передачу управляющей информации по стандартному каналу связи;
- получение информации от волоконно-оптических и фототиристорных датчиков при возникновении дугового замыкания;
- хранение и выдачу информации о количестве, времени и причинах аварийных отключений выключателя;
- непрерывный оперативный контроль работоспособности (самодиагностика) в течение всего времени работы;
Управление выключателями обеспечивается формированием команд включения и отключения секционного выключателя по сигналам:
- от блоков релейной защиты, поступающих на входы 20;
- поступающим по последовательным каналам 23 и 24 (от ПЭВМ или АСУ).
Индикация положения выключателя обеспечивается индикаторами 32.
Устройство работает следующим образом:
при включении питания супервизор 27-1 микропроцессора 27 формирует сигнал "RESET", по которому происходит начальная установка. При возрастании на дискретных входах 20 входного напряжения от нуля до напряжения срабатывания, равного опорному напряжению компаратора 40, на выходе 1 компаратора 40 появляется сигнал и через оптопару DV передается на выход входного узла 4. Далее этот сигнал поступает в регистр 6. Регистр 6 сохраняет и передает информацию через коммутатор 9 в блок формирования команд 5.
При возникновении в ячейке распределительного устройства короткого замыкания, сопровождаемого электрической дугой, появляется излучение от дугового столба дуги на которое реагируют волоконно-оптические, фототиристорные датчики, установленные в этих ячейках (на дугу также могут реагировать фоторезисторные, фототранзисторные и фотодиодные датчики).
u
N
1
м
Волоконно-оптические ВОД и фототиристорные ФТД датчики (фиг.7), установленные в отсеках ячеек вводного выключателя 47, секционного выключателя 48 и высоковольтных выключателей Л, формируют сигналы, которые по линиям 21 и 22 поступают на входы регистраторов сигналов 1 и 2. Входной сигнал с выходов 21 волоконно-оптического датчика ВОД поступает на усилитель 41 регистратора 1 (фиг.5). Усиленный сигнал через резисторы R1, R2 поступает на вход порта RA микропроцессора 42. Микропроцессор 42 постоянно опрашивает состояние логического уровня на входе порта и оценивает величину длительности уровней напряжения. При выполнении определенных условий на выходе порта RB формируется сигнал по которому зажигается светодиод F (определяющий срабатывание соответствующего датчика), а на выходе порта RC формируется сигнал по которому срабатывает оптопара DV и на ее выходе (на ограничивающем варисторе R) формируется сигнал поступающий на вход входного узла 4 (фиг.4). Далее этот сигнал через резистор R1 и диод V2 поступает на вход компаратора 40, где сравнивается с опорным напряжением компаратора, при выполнении определенных условий на выходе компаратора формируется сигнал поступающий на вход регистра 7. Регистр 7 сохраняет и передает в блок формирования команд 5 через коммутатор 9 информацию по сигналу чтения поступающему от дешифратора 12. Микропроцессор 27 блока формирования команд 5 анализирует по соответствующей программе информацию, поступающую от регистратора сигналов и входных узлов 4 и формирует код (адрес/данные), который через коммутатор 9 поступает на регистр 14, а для расширения адресного пространства через регистр 11 и блок элементов И 15 на регистр 16. Далее по сигналам с выходов регистров 14 и 16 реле 18...18 переводится в положение соответствующее определенной команде выключателя. Таким образом, устройство осуществляет контроль исправности выключателя и его цепей управления, а при появлении сигнала о коротком замыкании, сопровождающего наличием дуги, формируется сигнал, который поступает от микропроцессора через дешифратор 12, элемент НЕ 13 на узел блокировки 17 и блокирует все обмотки реле 18 (снимает напряжение с обмоток), т.е. выключает соответствующий выключатель.
Входной сигнал с выходов 22 фототиристорного датчика ФТД (фиг.7) поступает на на диод V и узел гальванической развязки 43 регистратора 2 (фиг.6). Гальванически развязанный сигнал через резистор R5 узла поступает на вход порта RA микропроцессора 44. Микропроцессор 44 постоянно опрашивает состояние логического уровня на входе порта и оценивает величину длительности уровней напряжения. При выполнении
определенных условий на выходе порта RB формируется сигнал по которому зажигается светодиод F (определяющий срабатывание соответствующего датчика), а на катоде диода V формируется сигнал поступающий на вход входного узла 4. Далее устройство работает аналогично вышеописанному.
Для повышения надежности в устройстве имеется система самодиагностики, которая состоит из двух подсистем - фоновой самодиагностики, которая обеспечивает контроль работоспособности основных узлов устройства в течении всего срока эксплуатации, и набора тестов, запускаемых по вызову.
Фоновая самодиагностика выполняется непрерывно в течении всего времени работы устройства, обеспечивая контроль работоспособности всех основных узлов. Результаты самодиагностики анализируются центральным процессором. В состав диагностики входят:
- проверка дискретных входов и выходов;
- проверка исправности ключей и катушек выходных реле;
- тестирование каналов и т.д.
1
M
Например, при диагностике выходов сигнал снимается с резисторов R...R на выходах ключей Дарлингтона регистров 14 и 16 и поступает через шинные формирователи 19, коммутатор 9 в микропроцессор 27 (при обрыве цепи или неисправности ключа уровень сигнала на резисторе будет отличаться от уровня имеющегося в исправном узле.)
Проверка каналов RS-232 и RS-485 драйверов 38 и 39 производится контролем равенства переданной и принятой информации (путем установки заглушки и без нее).
Таким образом, введение регистраторов и добавочных входных узлов, расширяет функциональные возможности устройства, и позволяет при сохранении всех качеств прототипа (надежность, помехоустойчивость и оперативное управление выключателями), использовать его для защиты комплектных распределительных устройств электрических подстанций при возникновении коротких замыканий, сопровождаемых открытой электрической дугой, а также для защиты обслуживающего персонала от травм и повреждений при электрических авариях, связанных с открытой электрической дугой.