УСТРОЙСТВО ПРОВЕРКИ РЕЛЕ С БАТАРЕЙНЫМ ПИТАНИЕМ
BATTERY-OPERATED RELAY CHECK DEVICE

Настоящее изобретение относится к способу и тестовому устройству для проверки защитного реле, причем в тестовом устройстве генерируется сигнал, и сигнал подается на защитное реле. Равным образом описывается тестовая система тестовых устройств.
В области энергетических систем, в частности сетей передачи электрической энергии, используются защитные реле для контроля системы (первичной системы). Для того чтобы была возможность лучше использовать реальные первичные токи и напряжения, токи преобразовываются посредством преобразователя тока, а напряжения посредством преобразователя напряжения в меньшие, проще используемые вторичные величины, которые обрабатываются в защитном реле. Несмотря на это, защитному реле в любой момент времени известно о состоянии первичных величин тока и напряжения. Согласно самым разным критериям защитные реле могут определять, имеется ли в первичной системе неисправность, и выдают затем в зависимости от неисправности, сразу же или после определенного времени задержки, команду отключения на один или несколько силовых выключателей, для того чтобы прекращать состояние неисправности в системе. Несколько защитных реле взаимодействуют друг с другом по возможности таким образом, что неисправности выключаются быстро, надежно, однако также выборочно. "Выборочно" означает, что по возможности выключается лишь та часть сети передачи энергии, в которой возникла неисправность, для того чтобы была возможность бесперебойно эксплуатировать далее как можно больше других частей сети передачи энергии.
Функцией защитного реле является защита с выдержкой времени от превышения тока. При этом при превышении номинального тока команда на отключение выдается в зависимости от величины тока по-разному быстро. По причинам безопасности является необходимым или обязательным регулярно проверять на правильность функционирования защитные устройства сети передачи электрической энергии, как например защитное реле.
Проверка защитного реле на функцию защиты с выдержкой времени от превышения тока может осуществляться, например, благодаря тому, что на защитное реле подается испытательный ток, однофазный или трехфазный, и наблюдается реакция защитного реле. Тестовые устройства для проверки защитных реле называются также "устройствами проверки реле". Как правило, для этого защитное реле отсоединяется от сети передачи электрической энергии и подключается напрямую к тестовому устройству, и подаются вторичные величины посредством преобразователя тока. Однако также возможны прямые проверки первичных величин. Проверяется, не срабатывает ли защитное реле при правильных токах ниже порога тока, например, при номинальных токах, и как быстро срабатывает защитное реле при различных состояниях неисправности. При защите с выдержкой времени от превышения тока, как правило, имеет место то, что с увеличением величины тока отключение должно осуществляться быстрее. Тестовое устройство снабжено входом, который соединяется с выходом силового выключателя защитного реле и рассчитан так, чтобы регистрировать, когда защитное реле переключается, то есть переключило бы силовой выключатель. Если бы теперь имелось желание определить сигнальный порог, при котором срабатывает защитное реле, то малый ток может непрерывно повышаться до тех пор, пока защитное реле не среагирует. Такой тест может занимать время больше чем несколько секунд и даже продолжаться минуты.
Так как эта проверка происходит, как правило, "в поле" на месте, и там не всегда или, по меньшей мене, не всегда может иметься в простом доступе штепсельная розетка, тестовое устройство иногда запитывается от генераторных агрегатов. То есть для теста должен с собой возиться генераторный агрегат, который с одной стороны повышает издержки и который также сложен в обращении (вес, размеры, уровень топлива и т.д.). В частности, в труднодоступных местах, которые достижимы только пешком, что для сетей передачи электрической энергии является обычным, эта немобильность представляет собой серьезный недостаток.
Таким образом, задачей данного изобретения является предоставить тестовое устройство, которым можно эффективнее и проще манипулировать, и которое уменьшает описанные выше недостатки.
Эта задача решается с помощью способа и устройства, которые отличаются тем, что находящийся в тестовом устройстве генератор сигналов выдает сигнал в виде импульсов со временами паузы, причем импульсы сигнала и времена паузы чередуются во времени, во времена паузы высота сигнала понижается, и, по меньшей мере, один импульс имеет более высокую амплитуду, чем, по меньшей мере, один из предыдущих импульсов. Тестовое устройство снабжается питающим напряжением от аккумулятора, который предоставляет тем самым в распоряжение электрическую энергию для генерации импульсов.
Далее задача решается с помощью тестовой системы, в которой тестовое устройство соединено с защитным реле и имеет сигнальный выход, через который сигнал выдается на сигнальный вход защитного реле, и вход отклика, который соединен с коммутационным выходом защитного реле.
Благодаря использованию аккумулятора обеспечивается большая мобильность и гибкость, и можно отказаться от снабжаемых топливом генераторных агрегатов или аварийных генераторных агрегатов. Во время эксплуатации аккумулятор за короткое время очень сильно нагружается, в частности в том случае, если, как описано выше, должны проходиться линейные стадии импульса для определения порогов сигналов, и проверка продолжается относительно долго. Для того чтобы нагрузку аккумулятора удерживать на низком уровне, генератор сигналов выдает сигнал в виде импульсов со временами паузы, причем амплитуды импульсов могут монотонно возрастать и в целом должны в любом случае иметь тенденцию к повышению, для того чтобы достигать порога переключения. Тенденция к повышению означает, что между импульсами с увеличивающимися амплитудами могут также возникать дополнительные импульсы, которые соответственно имеют меньшую амплитуду, чем тенденция. Так как сигнал генерируется в виде отдельных импульсов, средняя необходимая энергия уменьшается, и аккумулятор экономится. Несмотря на необходимые для проверки и адаптированные к сети передачи электрической энергии напряжения и (как правило, очень высокие) величины тока, это позволяет применять меньшие, более компактные аккумуляторы, что, например, важно для переносного устройства.
Сигнал может представлять собой, например, ток или напряжение, способ применим также к другим сигналам.
Генератор сигналов может содержать источник напряжения и/или источник тока.
Далее тестовое устройство может иметь первое количество сигнальных выходов, которые генерируют первое количество сигналов.
Также тестовое устройство может иметь второе количество входов отклика.
Предпочтительно на тестовом устройстве могут быть предусмотрены три выхода тока и три выхода напряжения, для того чтобы была возможность воспроизводить сигналы трехфазной ветви в энергетической сети. Тем самым может имитироваться трехфазная сеть, и может проверяться трехфазное защитное реле. Однако сигналы отдельных фаз не должны при этом обязательно иметь одинаковую амплитуду. Сдвиг фаз в 120° между фазами является обычным, однако в случае неисправности может также полностью отклоняться. Предпочтительно на тестовом устройстве могут помимо этого иметься два входа отклика, для того чтобы была возможность регистрировать различные реакции защитного реле, как например срабатывание или возмущение. Возмущение может означать, что порог сигнала был кратковременно превышен, однако недостаточно долгое время, для того чтобы вызывать срабатывание.
Защитное реле, после того, как сигнал достигает порога сигнала, может переключаться в пределах времени срабатывания, причем тестовым устройством определяется высота сигнала при достижении порога сигнала.
При этом следует отметить, что соответствующие длительности импульсов достигают времени срабатывания защитного реле, для того чтобы была возможность проверять правильное функционирование защитного реле. Выбираемая длительность времен паузы зависит от энергии импульсов, то есть от амплитуды и в свою очередь от длительности импульса. Время срабатывания защитного реле предусмотрено при высоких переключаемых сигналах в целом более низким, чем при более низких сигналах.
Наиболее предпочтительным является дополнительное определение времени t срабатывания от достижения порога сигнала до включения выхода отклика.
Амплитуды импульсов сигнала могут увеличиваться во времени на предпочтительно постоянную разность сигналов. Тем самым сигнал может пошагово приближаться к порогу сигнала, и может проверяться, например максимальная токовая защита с выдержкой времени.
Времена паузы могут быть переменными и зависеть от амплитуды импульсов сигнала в момент времени.
Это может достигаться, например, посредством импульсного порога, при котором времена паузы повышаются на коэффициент k. Таким образом, начиная с импульсного порога, возник бы другой подъем огибающей сигнала. Также возможно, что на времена паузы оказывается воздействие, например, несколькими импульсными порогами, или что времена паузы изменяются другим образом. При помощи переменных времен паузы может достигаться, что у аккумулятора, начиная с более высоких токов, имеется в распоряжении больше времени для "восстановления". Равным образом разность сигналов могла бы быть переменной.
Сигнал может во времена паузы предпочтительно опускаться до значения менее 1% предыдущего импульса, предпочтительно до нуля. Это минимизирует средний расход мощности аккумулятора.
Предпочтительно аккумулятор может иметь плотность энергии, по меньшей мере, 500 Дж/г. Предпочтительно аккумулятор или его часть может быть создан на литий-ионной или литий-полимерной основе.
Также тестовое устройство может быть выполнено переносным, причем низкий вес ввиду использования аккумулятора наиболее предпочтителен для применения в поле.
Адаптационное устройство может снабжаться питающим напряжением и снабжать далее генератор сигналов промежуточным напряжением.
Тем самым, например, возможно высокое питающее напряжение аккумулятора преобразовывать в более низкое промежуточное напряжение, в то время как предоставленный аккумулятором ток может преобразовываться в более высокий ток, для того чтобы таким образом питать генератор сигналов. Это является предпочтительным, так как генератор сигналов требует, как правило, высоких токов, однако естественно также низкое питающее напряжение аккумулятора может преобразовываться в высокое промежуточное напряжение, и предоставленный аккумулятором высокий ток может преобразовываться в низкий ток.
Адаптационное устройство должно по возможности работать с высокими тактовыми частотами, следовательно, дополнительные фильтры низких частот предпочтительны для подавления возникающих помех.
Это адаптационное устройство может включать в себя преобразователь пошагового повышения и/или преобразователь пошагового понижения.
Предпочтительно, по меньшей мере, часть адаптационного устройства и/или, по меньшей мере, часть генератора сигналов может деактивироваться при необходимости при помощи аварийного выключения.
Так как созданные адаптационным устройством токи могут быть очень высокими, было бы трудно их надежно разделять. Поэтому, по меньшей мере, часть адаптационного устройства, предпочтительно имеющаяся силовая электроника, деактивируется целенаправленно, причем избыточность деактивированных частей обеспечивает необходимую надежность. Эта избыточность может достигаться, например, благодаря тому, что деактивируются адаптационное устройство и генератор сигналов.
Форма сигнала может определяться блоком управления, причем результат блока управления обрабатывается цифро-аналоговым преобразователем для реализации сигнала, и цифро-аналоговый преобразователь управляет генератором сигналов.
Далее данное изобретение разъясняется более подробно со ссылкой на фиг. 1 - 5, которые в качестве примера, схематично и без ограничений показывают предпочтительные исполнения изобретения. При этом показаны:
фиг. 1 - защитное реле 2 в питающей сети 6;
фиг. 2 - защитное реле 2, которое соединено с тестовым устройством 4;
фиг. 3 - возможная конструкция тестового устройства 4;
1
2
3
4
5
фиг. 4 - ход сигнала S с постоянными временами T=T=T=T=Tпаузы;
1
фиг. 5 - ход сигнала S с импульсным порогом S; и
1
2
3
4
5
фиг. 6 - ход сигнала S с увеличивающимися строго монотонно временами T<T<T<T<Tпаузы.
n
n
S
На фиг. 1 защитное реле 2 соединено через сигнальный вход SE и коммутационный выход A с сетью 6 снабжения электрической энергией. Сеть 6 снабжения электрической энергией может быть также участком линии или ответвлением линии большей питающей сети. Имеющийся опционально преобразователь 1 сигнала измеряет предварительный сигнал S (первичную величину) - если сигнал представляется током, преобразователь 1 сигнала выполнен, как правило, в виде преобразователя тока или датчика тока - сети 6 снабжения электрической энергией и преобразовывает его в сигнал S (вторичную величину), который подается на защитное реле 2 через сигнальный вход SE. Например, в сетях низкого напряжения также возможно предварительный сигнал S подавать напрямую на защитное реле. Например, для функции максимальной токовой защиты с выдержкой времени защитное реле 2 рассчитано таким образом, что оно включает коммутационный выход A и таким образом размыкает соединенный с ним силовой выключатель 3 сети 6 снабжения электрической энергией, как только определенный, предварительно установленный порог S сигнала превышается в течение заданного промежутка времени. Таким образом, электрический контур сети 6 снабжения электрической энергией (или соответствующего сегмента сети) разрывается, благодаря чему обеспечивается, например, в сети 6 снабжения электрической энергией защита от сверхтоков.
S
V
Для того чтобы определять порог S сигнала, при котором защитное реле 2 переключается фактически, защитное реле 2 для проверки функционирования отсоединяется от сети 6 снабжения электрической энергией и соединяется с тестовым устройством 4, как изображено на фиг. 2. Тестовое устройство 4 имеет сигнальный выход SA и вход R отклика. Для проверки функционирования соединение защитного реле 2 с преобразователем 1 сигнала (или если преобразователь сигнала отсутствует, соединение с сетью 6 снабжения электрической энергией) и с силовым выключателем 3 разрывается, и сигнальный выход SA тестового устройства 4 соединяется с сигнальным входом SE защитного реле 2, а также коммутационный выход A защитного реле 2 с входом R отклика тестового устройства 4. Тестовое устройство 4 снабжается в свою очередь питающим напряжением U через питающий вход V от аккумулятора 5, который предпочтительно интегрирован в тестовое устройство 4. Для проверки защитного реле 2 сигнал S подается тестовым устройством 4 на защитное реле 2.
A
S
Если защита включает в себя, например максимальную токовую защиту с выдержкой времени, защитное реле 2 переключается в пределах времени t срабатывания, после того как сигнал S достиг выявляемого порога S сигнала. Тестовым устройством 4 определяется высота, то есть амплитуда сигнала S, при достижении которой защитное реле 2 срабатывает.
Для этого в тестовом устройстве 4 предусмотрен блок 7 оценки, который соединен с входом R отклика и регистрирует переключающий импульс защитного реле 2, который выдается на коммутационном выходе A.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Генератор G сигналов выдает сигнал S на сигнальном выходе SA в виде импульсов P со временами T, T, T, T, T паузы, причем импульсы P сигнала S и времена T, T, T, T, T паузы чередуются во времени t (фиг. 3). Во времена T, T, T, T, T паузы амплитуда сигнала S опускается до низкого значения, например до 1% предыдущей амплитуды или же до нуля. По меньшей мере, один импульс P имеет более высокую амплитуду, чем, по меньшей мере, один из предыдущих импульсов P, для того чтобы воспроизводить возрастающий сигнал S, как в качестве примера изображено на фиг. 4. Благодаря реализации времен T, T, T, T, T паузы аккумулятор 5 экономится.
A
A
S
Наиболее предпочтительным является исполнение, в котором также время t срабатывания защитного реле 2 определяется тестовым устройством 4, предпочтительно в блоке 7 оценки. Время t срабатывания защитного реле 2 описывает таким образом время от достижения сигналом S порога S сигнала до включения входа R отклика.
V
X
Находящееся в тестовом устройстве 4 адаптационное устройство X может преобразовывать питающее напряжение U аккумулятора 5 в промежуточное напряжение U, которое в свою очередь питает генератор G сигналов, как также изображено на фиг. 3.
Адаптационное устройство X может служить для того, чтобы преобразовывать высокие напряжения в низкие напряжения и низкие токи в высокие токи или же наоборот.
Это адаптационное устройство X может включать в себя преобразователь пошагового повышения и/или преобразователь пошагового понижения.
Далее, по меньшей мере, часть адаптационного устройства X и/или генератора G сигналов может деактивироваться при необходимости при помощи аварийного выключения N.
Эта часть адаптационного устройства X может включать в себя, например силовую электронику, которая является частью схемы конвертора. Так как высокие токи можно лишь с трудом отделять чисто, возможностью реализовывать аварийное выключение N является целенаправленная деактивация (избыточных) частей схемы, как например силовой электроники.
Тестовое устройство 4 или генератор G сигналов может содержать источник напряжения и/или источник тока и генерировать сигнал S в виде напряжения или тока.
Кроме того, форма сигнала S может рассчитываться блоком E управления, причем результат блока E управления обрабатывается цифро-аналоговым преобразователем DAC для реализации сигнала S, и цифро-аналоговый преобразователь DAC управляет генератором G сигналов.
Для этого в тестовом устройстве 4 может быть предусмотрен соединенный с блоком E управления блок 8 ввода, через который может, например, устанавливаться определенный выполняемый тест. Блок E управления и цифро-аналоговый преобразователь DAC могут находиться при этом в генераторе G сигналов.
n
Далее генератор G сигналов может иметь n>1 сигнальных выходов, которые генерируют n сигналов S, для того чтобы была возможность одновременно проверять защитное реле 2 многофазной сети для всех n фаз.
n
Предпочтительно n=3, вследствие чего может имитироваться трехфазная сеть. Тем самым может проверяться трехфазное защитное реле 2. Однако n сигналов S не должны при этом быть обязательно одинаковыми.
Далее тестовое устройство 4 может иметь второе количество входов R отклика, для того чтобы регистрировать различные реакции защитного реле 2, как например срабатывание или возмущение.
S
S
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
S
A
S
S
A
A
Сигнал S генерируется на определенной высоте (амплитуде) в течение длительности t импульса и по окончании длительности t импульса опускается для времени T, T, T, T, T паузы. Времена T, T, T, T, T паузы имеют при этом, как правило, порядок величин от 500 мс до 1 с. Величина длительности t импульса должна быть при этом, по меньшей мере, настолько велика, как время t срабатывания защитного реле 2, так как в противном случае правильное функционирование защитного реле 2 не может проверяться. При этом в большинстве случае необходима, по меньшей мере, длительность t импульса в 10 мс, обычные длительности t импульса составляют примерно 30 мс, однако также возможны длительности импульса в секундном диапазоне. Решающим фактором является при этом время t срабатывания защитного реле 2, которое зависит в свою очередь от высоты переключаемого сигнала. Более высокий ток должен, как правило, переключаться быстрее, то есть с более коротким временем t срабатывания, чем более низкий ток.
S
S
1
2
3
4
5
S
1
2
3
4
5
S
S
Длительность t импульса изображена на фиг. 3 - 5 в виде константы, однако она может также варьироваться, например, в зависимости от высоты сигнала S. Это может использоваться, например, для того, чтобы сохранять энергию импульса P на низком уровне, благодаря тому, что с увеличением амплитуды длительности t импульса уменьшаются. По окончании времени T, T, T, T, T паузы сигнал, будучи повышен на разность ΔS сигналов, выдается для дальнейшей длительности t импульса, после чего снова следует время T, T, T, T, T паузы. Это происходит предпочтительно до тех пор, пока защитное реле 2 не среагирует или не сработает. Предпочтительно разность ΔS сигналов всегда постоянна и положительна. Однако также возможно, что разность ΔS сигналов переменна или местами отрицательна или равна нулю, что может зависеть, например, от текущей высоты сигнала S. Тем не менее, для того чтобы достигать порога S сигнала, по меньшей мере, один импульс P должен иметь более высокую амплитуду, чем, по меньшей мере, один из предыдущих импульсов P, если только амплитуда первого импульса P сигнала S не достигает порога S сигнала. В этом случае защитное реле 2 переключается немедленно.
1
2
3
4
5
Длящиеся между отдельными импульсами P сигнала S времена T, T, T, T, T паузы сигнала S могут постоянно иметь одинаковую длину, однако также зависеть от текущей амплитуды сигнала S или другого фактора.
1
2
3
4
5
S
S
Так как выбор времен T, T, T, T, T паузы предпочтительно зависит от выбранной длительности t импульса, таким образом может осуществляться как реакция на переменные длительности t импульса, так и с другой стороны средняя энергия импульсов P может опускаться, например, частично. Более низкое потребление энергии тестовым устройством 4 и тем самым более низкий отбор энергии из аккумулятора 5 вызывает экономию аккумулятора 5.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
На фиг. 4 изображен примерный ход сигнала S во времени t. Изображенная пунктиром огибающая импульсов сигнала S, перемежающихся временами T, T, T, T, T паузы, показывает увеличение сигнала S, причем в этом примере времена T, T, T, T, T паузы постоянны, и высота следующих друг за другом импульсов P сигнала S линейно повышается при постоянной разности ΔS сигналов.
1
1
1
Также возможен ход согласно фиг. 5, при котором времена T, T паузы повышаются, как только амплитуда актуального импульса P сигнала S достигает импульсного порога S. Тем самым возникает при постоянной разности ΔS сигналов изображенная пунктиром огибающая в виде увеличивающегося сигнала S, причем после достижения импульсного порога S подъем сигнала S сокращается. Преимущество повышения времен паузы при возрастающей амплитуде заключается в том, что средняя нагрузка аккумулятора не должна повышаться при возрастающей амплитуде, так как более длинные паузы могут компенсировать возрастающую потребную мощность для импульсов.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Во времена T, T, T, T, T паузы высота сигнала S, как было упомянуто, понижается. Предпочтительно во времена T, T, T, T, T паузы сигнал S может понижаться до значения менее 1% предыдущего импульса P или же до нуля, как изображено на фиг. с 3 по 5, что может продлевать срок службы аккумулятора 5.
Предпочтительно аккумулятор 5 может иметь плотность энергии, по меньшей мере, 500 Дж/г.
1
2
3
4
5
1
2
3
4
5
Предпочтительно времена T, T, T, T, T паузы увеличиваются с увеличением высоты сигнала S непрерывно. Времена T, T, T, T, T паузы могут таким образом увеличиваться от импульса P к импульсу P строго монотонно, вследствие чего для сигнала S возникает изображенная пунктиром огибающая с сокращенным во времени t подъемом. Это исполнение изображено на фиг. 6 также с постоянной разностью ΔS сигналов.
1
2
3
4
5
Естественно также возможно, что времена T, T, T, T, T паузы (например, частично) сокращаются или частично остаются постоянными.
1
2
3
4
5
1
1
2
3
4
5
Само собой разумеется, также возможны смешанные варианты только что указанных ходов, а также дальнейшие вариации времен T, T, T, T, T паузы и разности ΔS сигналов в зависимости от текущей амплитуды импульса P. Так, например, могут иметься несколько импульсных порогов S, и разность ΔS сигналов и/или времена T, T, T, T, T паузы могут изменяться несколько раз.
Тестовое устройство 4 благодаря низкому весу ввиду применения аккумулятора 5 может быть выполнено переносным, что наиболее предпочтительно для использования в поле.