УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРИБОР, СОДЕРЖАЩИЙ ТАКОЕ УСТРОЙСТВО
DEVICE AND METHOD OF DIFFERENTIAL PROTECTION AND ELECTRIC DEVICE CONTAINING SUCH DEVICE

Область техники
Настоящее изобретение относится к устройству дифференциальной защиты, содержащему:
- средство измерения дифференциального тока и
- средство обработки дифференциальных помех, соединенное со средством измерения, для приема измерительного сигнала, обеспечиваемого средством измерения, и обеспечения размыкающего сигнала на исполнительное средство.
Изобретение относится также к электрическому распределительному устройству, содержащему главные проводники, соединенные последовательно с главными контактами, механизм размыкания главных контактов и такого устройства.
Изобретение относится также к способу дифференциальной защиты, содержащему этапы, на которых:
- измеряют измерительный сигнал дифференциального тока и
- обрабатывают дифференциальные помехи для обеспечения размыкающего сигнала, когда сигнал дифференциальной помехи превысит определенный порог размыкания в течение заданного периода времени.
Предшествующий уровень техники
Известные устройства дифференциальной защиты, такие как описанные в патентных заявках EP1111750 и EP1441429 и как устройство, представленное на схеме (фиг.1), содержат датчик 1, измеряющий дифференциальный ток Id, соединенный со схемой 2 обработки для инициирования размыкания главных контактов 3 через размыкающее реле 4. Когда устройство дифференциальной защиты не относится к категории устройств, которые должны работать в запитанной системе, схема обработки обычно снабжается энергией от схемы 5 питания. Измерительный датчик 1 обычно содержит кольцевой сердечник 6, выполненный из магнитного материала, окружающий главные проводники 7, причем вторичная обмотка 8 обеспечивает измерительный ток Ids, характеризующий дифференциальный ток Id. Ток Ids вторичной обмотки протекает через измерительный резистор 9, чтобы подать измерительный сигнал Vds, соответствующий току вторичной обмотки Ids, на схему обработки. Два диода 10, соединенные встречно-параллельно, ограничивают напряжение сигнала Vds, чтобы защитить схему обработки.
Возмущения большой мощности, наводящиеся на главных проводниках и создающие сильные дифференциальные токи, могут нарушить работу датчиков 1 тока. Такие дифференциальные токи являются результатом, в частности, значительных дифференциальных помех, возникающих в течение короткого периода, например помехи, в несколько раз превышающие порог размыкания в течение полупериода электрической сети. Некоторые токи могут составлять до нескольких ампер. Другие возмущающие токи представляют собой токи, вызванные разрядами стандартизованных испытаний на устойчивость к кратковременным импульсам, например 8/20, или реальными разрядами между главными проводниками и заземлениями или землей.
Высокие дифференциальные токи короткой длительности не должны инициировать размыкание главных контактов, когда устройство дифференциальной защиты является вводным устройством электрического распределения. Этот тип устройств часто имеет задержку времени размыкания с минимальным временем помех и максимальной длительностью размыкания, чтобы получить избирательность с блоками дифференциальной защиты, расположенными ближе к нагрузке.
В частности, когда датчик тока представляет собой магнитный кольцевой сердечник, энергия, запасенная в датчике, продолжает подавать вторичный ток Ids даже после прекращения протекания сильного дифференциального тока на главных проводниках. Этот вторичный убывающий ток рассматривается схемой обработки как продолжительный ток помех и может вызвать размыкание, хотя помехи больше нет. В этих случаях время задержки может не обеспечить достаточной защищенности от токов помех очень высокой мощности. Таким образом, такие токи помех очень высокой мощности могут повлиять на избирательность устройств селективной защиты.
Краткое изложение существа изобретения
Задачей изобретения является обеспечение устройства и способа дифференциальной защиты с высоким уровнем защищенности от токов помех.
Устройство дифференциальной защиты, содержащее:
- средство измерения дифференциального тока,
- средство обработки дифференциальных помех, соединенное со средством измерения, для приема измерительного сигнала, обеспечиваемого средством измерения, и для обеспечения размыкающего сигнала на исполнительный механизм, согласно изобретению содержит:
- средство детектирования сигналов высокой мощности, возмущающих средство измерения, и
- средство отключения, соединенное со средством детектирования, для отключения подачи размыкающего сигнала, обеспеченного средством обработки, когда средство детектирования детектирует наличие сигналов высокой мощности.
В предпочтительном варианте реализации средство детектирования детектирует наличие сигналов высокой мощности путем отслеживания отсутствия прохождения измерительного сигнала вблизи нуля в течение заданного периода.
Заданный период предпочтительно является более длинным, чем полупериод или полуволна тока в защищаемой электрической силовой системе и короче, чем время размыкания устройства дифференциальной защиты.
В одном частном варианте осуществления средство детектирования содержит средство сравнения для сравнения измерительного сигнала с, по меньшей мере, первым порогом прохождения вблизи нуля, причем изменения состояний по меньшей мере одного выхода средства сравнения соответствуют детектированию прохождения вблизи нуля.
Предпочтительно по меньшей мере первый порог прохождения вблизи нуля составляет менее половины порога размыкания, используемого в средстве обработки для детектирования дифференциальной помехи, причем значения вблизи нуля определены между нулем и абсолютным значением порога прохождения вблизи нуля или между отрицательным значением порога прохождения вблизи нуля и положительным значением порога прохождения вблизи нуля.
По меньшей мере первый порог прохождения вблизи нуля предпочтительно составляет менее 10% от порога размыкания, используемого для детектирования дифференциальной помехи.
Средство отключения предпочтительно обеспечивает размыкание, когда средством детектирования детектируется прохождение вблизи нуля.
Электрическое распределительное устройство, содержащее главные проводники, соединенные последовательно с главными контактами, и механизм размыкания главных контактов, содержит устройство дифференциальной защиты, какое определено выше, причем средство измерения выполнено вокруг главных проводников для измерения дифференциального тока, а исполнительное средство действует совместно с размыкающим механизмом.
Способ дифференциальной защиты, содержащий этапы, на которых:
- измеряют измерительный сигнал дифференциального тока, и
- обрабатывают дифференциальные помехи, чтобы обеспечить сигнал размыкания, когда сигнал дифференциальной помехи превысит заданный порог размыкания в течение заданного периода времени, согласно изобретению дополнительно содержит этапы, на которых:
- детектируют сигналы высокой мощности, нарушающие измерение измерительного сигнала дифференциального тока, и
- отменяют размыкание, когда измерение нарушается сигналами высокой мощности.
В предпочтительном варианте осуществления средство детектирования детектирует наличие сигналов высокой мощности по отсутствию прохождения измерительного сигнала дифференциального тока вблизи нуля в течение заданного периода времени.
Заданный период предпочтительно длиннее полупериода, или полуволны, тока в защищаемой электрической силовой системе и короче, чем время размыкания дифференциальной защиты.
В одном частном варианте осуществления средство детектирования сравнивает измерительный сигнал дифференциального тока с, по меньшей мере, первым порогом прохождения вблизи нуля, причем изменение состояния сравнения является детектированием прохождения вблизи нуля.
По меньшей мере, первый порог прохождения вблизи нуля предпочтительно составляет меньше половины порога размыкания, используемого для детектирования дифференциальных помех.
Средство отключения размыкания предпочтительно обеспечивает размыкание, когда средством детектирования детектируется прохождение вблизи нуля.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает схему известного устройства дифференциальной защиты;
фиг.2A-2C изображают первые сигналы помех, которые могут быть получены устройствами дифференциальной защиты;
фиг.3A-3C изображают вторые сигналы помех, которые могут быть получены устройствами дифференциальной защиты;
фиг.4 изображает схему устройства дифференциальной защиты согласно первому варианту осуществления изобретения;
фиг.5 изображает блок-схему первого способа дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.6 изображает сигналы с возмущением в устройстве дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.7 изображает сигналы без возмущений в устройстве дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.8 изображает схему устройства дифференциальной защиты согласно второму варианту осуществления изобретения;
фиг.9A-9E изображают обработку сигналов возмущений в устройстве дифференциальной защиты с фигуры 8;
фиг.10 изображает блок-схему второго способа дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.11 изображает обработку сигналов без возмущения в устройстве дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.12 изображает обработку сигналов с возмущением в устройстве дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.13 изображает обработку выпрямленных полуволновых сигналов без возмущения в устройстве дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения;
фиг.14 изображает обработку урезанных выпрямленных полуволновых сигналов без возмущения в устройстве дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения.
Описание предпочтительных вариантов
осуществления изобретения
Такие устройства дифференциальной защиты, как показанное на фиг.1, содержат измерительный датчик 1 дифференциального тока и схему 2 обработки дифференциальных помех, соединенную с измерительным датчиком, чтобы принимать измерительный сигнал Ids или Vds и обеспечивать размыкающий сигнал D. Измерительный сигнал Ids или Vds сравнивается с по меньшей мере одним порогом Sd размыкания, чтобы задетектировать дифференциальную помеху. Затем, если порог размыкания превышается в течение заданного периода задержки TD, схема обработки обеспечивает размыкающий сигнал D.
Фиг.2A изображает диаграмму дифференциального тока Id, протекающего в главных проводниках первичной обмотки кольцевого сердечника 6 датчика 1. Этот ток имеет форму полупериода синусоидальной волны очень высокой амплитуды и длительностью примерно 8-10 миллисекунд. На фиг.2B ток Ids соответствует току Id первичной обмотки в начале 11 графической кривой. Затем, после исчезновения тока Id первичной обмотки, на второй части 12 кривой затухающий ток Ids вторичной обмотки продолжает протекать, пока не разрядиться энергия, запасенная в магнитной цепи кольцевого сердечника 6. Ток Ids превышает порог Sd размыкания или Sd+ и Sd- на фиг.2B в период между началом времени t1 перерегулирования и концом времени tp возмущения. Фиг.2C изображает размыкающий сигнал D. Через время t1 в конце периода задержки TD размыкания размыкающий сигнал D является активным в момент t3. В этом случае размыкания не должно происходить, так как сигнал Id исчез до достижения периода TD. Так как момент tp наступает значительно позже времени t3, имеет место размыкание, нарушающее избирательность устройства дифференциальной защиты.
Фиг.3A изображает диаграмму Id дифференциального тока, имеющего форму импульса высокой мощности. На втором графике, фиг.3B, ток Ids имеет первый участок 11, соответствующий первичному току Id, и второй участок 12 кривой, соответствующий затухающему току для разряда энергии, запасенной в магнитной цепи кольцевого сердечника 6. Фиг.3C также изображает размыкающий сигнал D, который возникает после периода задержки размыкания TD. Ток Ids снова падает по абсолютному значению ниже порога Sd- в момент времени tp, значительно позже времени размыкания t3. Такой возмущающий сигнал также может нарушить избирательность или привести к ложному размыканию.
Фиг.4 изображает схему устройства дифференциальной защиты согласно первому варианту осуществления изобретения, обеспечивающего большую устойчивость к возмущениям из-за сильных дифференциальных токов и импульсов высокой мощности. Чтобы достичь такой устойчивости, устройство содержит схему 13 детектирования сигналов высокой мощности, возмущающих измерительные датчики, и модуль 14 отключения, соединенный со схемой детектирования для отключения или блокировки подачи размыкающего сигнала D, обеспечиваемого схемой обработки, когда модуль детектирования детектирует наличие сигналов высокой мощности.
Схема 13 детектирования детектирует наличие сигналов высокой мощности по отсутствию прохождения вблизи нуля вторичного измерительного сигнала Ids или Vds в течение заданного периода TI контроля размыкания. Заданный период TI предпочтительно больше, чем полупериод или полуволна тока в защищаемой электрической силовой системе и короче, чем время TD размыкания устройства дифференциальной защиты. Например, если электрическая силовая система имеет частоту 50 Гц или 60 Гц, максимальный полупериод силовой системы равен 10 мс. Кратчайшее время TD размыкания по избирательности обычно составляет от 30 до 60 мс. Таким образом, в этом случае TI больше 10 мс и меньше 30 мс, т.е., например, составляет 15 или 22 мс. Так, если сигнал Ids или Vds не переходит через ноль или не падает до нуля в течение периода TI, схема 13 детектирования обеспечивает сигнал INH отключения на схему отключения, чтобы блокировать подачу размыкающего сигнала. Как только сигнал Ids или Vds пройдет через ноль или вернется к нулю, отключение прекращается, и размыкание снова возможно.
Фиг.5 изображает блок-схему первого способа дифференциальной защиты согласно одному варианту осуществления изобретения. Этот способ дифференциальной защиты содержит этап 20 детектирования измерительного сигнала Ids дифференциального тока. На этапе 21 детектируют отсутствие сигналов высокой мощности, нарушающих измерение измерительного сигнала дифференциального тока. Если детектируют прохождение вблизи нуля, то возмущений нет, и этап 22 деактивирует отключение размыкания, или блокировку. На этапе 23 детектируют наличие сигналов высокой мощности, нарушающих измерение измерительного сигнала дифференциального тока. Если прохождение вблизи нуля не детектируют в течение периода TI, то возмущение есть и тогда на этапе 24 активируют отключение размыкания или блокировку. На этапе 25 выполняют обработку дифференциальных помех, чтобы обеспечить отключающий сигнал D, когда сигнал дифференциальной помехи превысит заданный порог SD отключения в течение заданного периода TD. На этапе 26 обрабатывают отключение размыкания, чтобы отключить или блокировать размыкание, когда средство измерения возмущено сигналами высокой мощности. Когда отключение или блокировка деактивированы, на этап 27 вызывают размыкание, если условия этапа 25 истинны.
Таким образом, на этапе 23 детектирования детектируют наличие сигналов высокой мощности по отсутствию прохождения вблизи нуля измерительного сигнала дифференциального тока в течение заданного периода TI. Заданный период TI больше, чем период или чем две полуволны тока в защищаемой электрической силовой системе, и короче, чем время размыкания TD устройства дифференциальной защиты. Этапы 21 и 22 обеспечивают размыкание, когда детектируется прохождение вблизи нуля.
Фиг.6 изображает сигналы с возмущением в устройстве дифференциальной защиты согласно одному варианту осуществления изобретения. В момент t4a появляется сигнал возмущения высокой мощности, намного больший, чем порог размыкания, детектируется переход через ноль, деактивируется отключение, и сигнал INH находится в состоянии "0". В момент t4b, через время, которое короче периода TI, детектируется новый переход через ноль. Тогда, в конце периода TI, в момент t5, Ids не вернулся к нулю или не пересек ноль. Тогда активируется отключение, и сигнал INH переходит в состояние "1". Позднее, в конце периода задержки размыкания TD, в момент t6, активируется промежуточный размыкающий сигнал DA, но он не обеспечивается как размыкающий сигнал D из-за того, что активировано отключение. Сигнал D остается неактивным на нуле. Появление сигнала, начинающегося с нуля, рассматривается в настоящем описании как эквивалент прохождения вблизи нуля.
Фиг.7 изображает сигналы без возмущений в устройстве дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения. В момент t7 появляется дифференциальный сигнал переменного тока, который выше, чем порог размыкания. За первым прохождением через ноль вначале друг за другом каждый полупериод следуют другие прохождения через ноль, отключение деактивировано, и сигнал INH находится в состоянии "0". Так как сигнал Ids содержит переходы через нуль, разделенные более короткими интервалами, чем период TI, отключение остается деактивированным. В конце времени задержки размыкания TD, в момент времени t8, активируется промежуточный размыкающий сигнал DA. В этом случае он обеспечивается как размыкающий сигнал D, так как отключение деактивировано.
Фиг.8 изображает схему устройства дифференциальной защиты согласно второму варианту осуществления изобретения. Схема 13 детектирования сигналов высокой мощности, возмущающих измерительные датчики, содержит средство сравнения для сравнения первого измерительного сигнала с по меньшей мере первым порогом прохождения вблизи нуля. На фигуре 8 схема 13 содержит дифференциальный усилитель 30 для усиления измерительного сигнала Vds и обеспечения сигнала Ads, отсчитанного по отношению к электронной базовой линии. Первый компаратор 31 сравнивает усиленный сигнал Ads с первым положительным порогом SI+ для детектирования прохождения вблизи нуля, например переходов через ноль, начала вблизи нуля или возвратов к нулю на положительной стороне сигнала. Второй компаратор 32 сравнивает усиленный сигнал Ads со вторым отрицательным порогом SI- для детектирования прохождения вблизи нуля, например, переходов через ноль, начала вблизи нуля или возвратов к нулю на отрицательной стороне сигнала. Выходы компараторов соединены с контрольным модулем 33 для определения отключения в соответствии с передним или задним фронтом выходных сигналов компаратора. Например, сигнал отключения INH предусмотрен, если никаких фронтов не было детектировано в течение более длительного периода, чем заданный период контроля отключения TI.
В случае схемы на фигуре обработка фронтов предпочтительно может быть также ограничена единственным типом фронта для подсчета времени TI задержки. В этом случае независимая обработка двух типов фронтов может потребовать двух подсчетов времени TI задержки.
Пороги SI+ и SI- определяют контрольное окно вблизи нуля между SI- и SI+. Прохождение вблизи нуля, описанное ранее, означает также прохождение в пределах этого окна, независимо от направления вход или выход. Схема 33 может также осуществлять дополнительные контрольные операции, посредством обеспечения отключающего сигнала INH, если никаких фронтов не было детектировано в течение более длительного периода, чем заданный период TI контроля отключения, и если компаратор указывает состояние сигнала вне окна (SI-, SI+), т.е. если сигнал по абсолютному значению больше, чем порог SI.
Фиг.9A-9E изображают обработку сигналов возмущения в устройстве дифференциальной защиты с фиг. 8. Фиг. 9A изображает сигнал Ids высокой мощности со вторым затухающим участком 12. Пороги Sd+ и Sd- размыкания и пороги SI+ и SI- отключения указаны на этой фигуре и откалиброваны относительно Ids. Пороги отключения SI+ и SI-, определяющие прохождение через ноль или возвращение к нулю, по абсолютному значению меньше, чем половина абсолютного значения порогов Sd+ и Sd- размыкания, используемых в средстве обработки для детектирования дифференциальных помех. Фиг.9B изображает сигнал S, соответствующий перерегулированию размыкания в течение периода TS. Короткое прохождение через ноль является недейственным при детектировании перерегулирования порога размыкания. Фиг.9C изображает состояние выхода C1 компаратора 31, отслеживающего перерегулирование положительного порога SI+. Фиг.9D изображает состояние выхода C2 компаратора 32, отслеживающего перерегулирование отрицательного порога SI-. Фиг.9E изображает сигнал INH отключения. В момент t9 сигнал Ids выходит за пределы SI-, выходя из окна (SI+, SI-). Выход C2 изменяет состояние на 1 на переднем фронте. Тогда, в конце заданного периода TI, в момент времени t10, активируется отключение, так как никакой другой фронт не был детектирован. Тогда размыкание отключено, даже если затухающий сигнал участка 12 все еще превышает по абсолютному значению порог Sd-. Затем, в момент t11, сигнал Ids доходит до уровня порога SI-, детектируется изменение состояния и/или фронт, и тогда отключение немедленно деактивируется, чтобы обеспечить размыкание в случае дифференциальных помех. Таким образом, схема 13 и модуль 14 обеспечивают размыкание, когда средством детектирования детектируется переход через ноль или возврат к нулю.
Равным образом, в способе по варианту осуществления изобретения средство детектирования сравнивает измерительный сигнал Ids дифференциального тока с по меньшей мере первым порогом SI, SI+ или SI- прохождения вблизи нуля, чтобы включить задержку T1, T2 и определить длительность в соответствии с изменениями состояний по меньшей мере одного сравнения. По меньшей мере первый порог прохождения вблизи нуля предпочтительно составляет менее половины порога Sd, Sd+, Sd- размыкания, используемого для обработки детектирования дифференциальных помех.
Фиг.10 изображает блок-схему второго способа дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения. На этапе 40 сигналы размыкания и отключения деактивированы. Если на этапе 41 детектируют фронт, соответствующий первому сравнению, первая задержка T1 запускается на этапе 42. Если фронт детектируется на этапе 43, соответствующем второму сравнению, на этапе 44 запускается вторая задержка T2. Если на этапе 45 первая задержка T1 превышает заданный период TI, на этапе 46 активируется отключение. Если на этапе 47 вторая задержка T2 превышает заданную длительность TI, на этапе 48 активируется отключение. Если на этапе 49 задетектирована помеха и если отключение деактивировано, размыкание имеет место на этапе 50. Если нет, на этапе 51 размыкающий сигнал деактивируется или сбрасывается.
Фиг.11 изображает обработку сигналов без возмущения в устройстве дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения. Сигнал Id является знакопеременным, и компараторы включаются при каждом прохождении через ноль. Отключения или блокировки размыкания нет. Фиг.12 изображает обработку сигналов с возмущениями в устройстве дифференциальной защиты согласно варианту осуществления изобретения. Сигнал Id является возмущенным, компараторы включаются в начале сигнала, но остаются в том же состоянии в течение длительного периода. Отключение или блокировка размыкания имеет место через период TI после последнего изменения состояния.
Фиг.13 и 14 изображают обработку сигналов без возмущений в устройстве дифференциальной защиты согласно одному варианту осуществления изобретения, причем сигналы соответственно выпрямлены на полуволне и урезаны на выпрямленной полуволне. Так как эти сигналы являются подлинными сигналами дифференциальных помех, они регулярно переходят через ноль, возвращаются в ноль или снова выходят из нуля. Таким образом, при появлении сигнала отключение устанавливается на ноль или подтверждается на нуле. Затем, в конце времени TD отключения, подается размыкающий сигнал для активации механизма размыкания главного контакта.
В устройствах и способах согласно изобретению сигналы Ids могут быть обработаны напрямую в переменном токе или выпрямлены перед обработкой. Пороги Sd, Sd+ или Sd- отключения и пороги SI, SI+, SI- детектирования отключающего сигнала INH могут быть поляризованными или использоваться по абсолютным значениям. Они применяются напрямую к значениям дифференциального тока в исходном виде или к сигналам, изображениям или данным, характеризующим дифференциальный ток вторичной обмотки Ids. Значения порогов детектирования SI, SI+, SI- сигнала INH отключения предпочтительно составляют по абсолютной величине примерно 10% от значения порогов Sd, Sd+ или Sd-размыкания.
Обработка порогов SI, SI+, SI- детектирования сигнала INH отключения и выходных сигналов компаратора может учитывать разные логические комбинации, в частности перерегулирование, независимо от того, является ли превышенный порог положительным или отрицательным, перерегулирование амплитуды, продолжающееся до более высокой амплитуды, и возвращение к нулю, или перерегулирование порога по абсолютному значению в течение всего периода. В этом случае отключение может также быть деактивировано, если сигнал Ids по абсолютному значению меньше, чем пороги SI, SI+, SI-.
Детектирование может иметь неопределенную длительность при ожидании возврата в окрестность нуля, но оно может быть также ограничено по времени. Например, оно может длиться в течение максимально установленного времени, примерно одну или несколько секунд, или в течение времени, большего, чем самое большое время размыкания, в случае систем с заданием уставок времени размыкания.
Схема 13 и модуль 14 могут быть обеспечены как независимые схемы или сгруппированы в одну и ту же схему. Они могут также быть встроены в схему 2 обработки как функции или модули в дополнение к обычной защите.
Устройство согласно изобретению может быть встроено в независимое реле дифференциальной защиты или в устройство распределения электрической энергии, такое, как переключатель или выключатель, содержащий главные проводники, соединенные последовательно с главными контактами, и механизм размыкания главных контактов.
Дифференциальный ток, описанный выше, соответствует также остаточному току, току утечки, току замыкания на землю или току нулевой последовательности. Устройства согласно изобретению применимы одинаково хорошо к двухполюсным, трехполюсным или четырехполюсным системам распределения электрической энергии.