Устройство для защиты трехфазной электроустановки от неполнофазного режима
DEVICE FOR PROTECTING A THREE-PHASE ELECTRICAL INSTALLATION FROM OPEN-PHASE OPERATION

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для защиты от неполнофазного режима трехфазной электроустановки, преимущественно силового трансформатора дуговой сталеплавильной печи.
2
Известно устройство для защиты трехфазной нагрузки от несимметричных режимов, содержащее тиристорный коммутатор, к которому подключены электродвигатель и трехфазный трансформатор, вторичная обмотка которого подключена к соединенным звездой резисторам, общая точка которых и нулевой вывод вторичной обмотки соединены с реагирующим органом, состоящим из резистора, релейного элемента и инвертора, подключенным к блоку управления, выходы которого соединены с управляющими входами тиристорного коммутатора (см. авторское свидетельство СССР №726618, МПК Н02Н7/09).
Недостатком известного устройства является низкая достоверность идентификации неполнофазного режима, что приводит к низкой надежности защиты трехфазной электроустановки либо электрической сети. Отклонения входного сигнала реагирующего органа в трехпроводной системе электропитания нагрузки без нулевого провода будут присутствовать практически постоянно, вследствие неравенства мгновенных значений фазных напряжений. На выходе элемента с релейной характеристикой этот сигнал будет увеличиваться до постоянного значения независимо от уровня входного сигнала. Это приведет к формированию недостоверных сигналов о наличии неполнофазного режима и ложной блокировке работы блока управления.
Для достоверного обнаружения неполнофазного режима необходимо контролировать наличие не напряжения, а уровень токов нулевой последовательности в фазах нагрузки.
2
Наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого устройства является устройство для защиты трехфазной электроустановки от неполнофазного режима, содержащее трехфазный выключатель, состоящий из трех управляемых коммутирующих устройств, включенных в фазы электроустановки, блок управления выключателем, выходы которого соединены с управляющими входами коммутирующих устройств, а входы - с датчиками аварийного режима, при этом каждое управляемое коммутирующее устройство выполнено по схеме встречно-параллельно включенных тиристоров, датчик тока выполнен в виде U-образного ферромагнитного сердечника, охватывающего три токоведущих проводника по числу фаз электроустановки, используется два датчика аварийного режима, каждый из которых содержит геркон с замыкающим контактом, размещенный на торцах U-образного сердечника (см. авторское свидетельство СССР №1117767, МПК Н02Н7/09).
Недостатком известного устройства является низкая достоверность определения неполнофазного режима и, как следствие, низкая надежность. Это связано с тем, что, сигнал, поступающий с выхода каждого датчика аварийного режима на вход блока управления, определяется по полному току фазы электроустановки. Это не позволяет идентифицировать режим непереключения фазы при отсутствии нагрузки. Измеряемый в этом режиме ток холостого хода имеет низкую величину, которая не может быть достоверно идентифицирована датчиком тока, выполненным в виде U-образного ферромагнитного сердечника.
Датчик тока в известном устройстве не позволяет определить различие между током холостого хода, близким к нулевому значению, и нулевым значением тока, возникающим при непереключении фазы. Идентификация неполнофазного режима осуществляется по разнице результирующих ампервитков обмотки датчика. В результате не обеспечивается необходимой чувствительности к изменению режима подключения электроустановки при нормальном режиме работы электроустановки и при отсутствии питания по одной из фаз.
Формирование сигнала на блок управления тиристорным выключателем по сумме мгновенных значений ампервитков приведет к неустойчивой работе блока управления. Это вызвано тем, что коммутация сигналов в фазах нагрузки, осуществляемая этими выключателями, не может происходить строго одновременно. В связи с этим сигнал на выходе герконов (на входе блока управления) будет возникать при каждом подключении/отключении нагрузки. Это снижает надежность работы устройства.
Кроме того, недостатком известного устройства является сложность технического исполнения. Это связано с тем, что используемые датчики тока в виде U-образного ферромагнитного сердечника серийно не выпускаются. Поэтому требуется их индивидуальное исполнение, что не может обеспечить требуемого качества. Использование герконов с механическими контактами снижает надежность гальванической развязки измерительных и управляющих цепей, что, в свою очередь, снижает надежность и долговечность устройства.
Сложность технического исполнения также связана с тем, что коммутирующее устройство выполнено в виде двух встречно-параллельно включенных тиристоров. Подобные устройства, предназначенные для подключения высоковольтных электроустановок, также серийно не выпускаются. Их индивидуальное исполнение на высокие напряжения требует применения большого количества тиристорных блоков, а также разработки специальной системы импульсно-фазового управления и достаточно сложных алгоритмов управления коммутацией.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является низкая надежность работы устройства для защиты трехфазной электроустановки, преимущественно, силового трансформатора дуговой сталеплавильной печи, вследствие неудовлетворительной идентификации неполнофазного режима.
Технический результат заключается в повышении точности идентификации режима невключения фазы благодаря применению трансформатора тока нулевой последовательности с быстронасыщающимся магнитопроводом, а также использованию сертифицированных, серийно выпускаемых измерительных и коммутирующих устройств.
Поставленная задача решается тем, что устройство для защиты трехфазной электроустановки от неполнофазного режима, содержит трехфазный выключатель, состоящий из управляемых коммутирующих устройств, включенных в фазы электроустановки;блок управления выключателем, выходы которого соединены с управляющими входами коммутирующих устройств; датчики аварийного режима, согласно изобретению, оно дополнительно содержит три датчика аварийного режима, каждый из которых включает следующее оборудование: трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в фазу электроустановки, а вторичная обмотка подключена параллельно первичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности; вторичная обмотка трансформатора тока нулевой последовательности соединена с входом диодного выпрямителя; к выходу диодного выпрямителя параллельно подключены нагрузочный резистор и фильтр низких частот, состоящий из резистора и конденсатора; выход фильтра низких частот подключен к параметрическому стабилизатору напряжения, состоящему из балластного резистора и стабилитрона; выводы стабилитрона являются выходом каждого датчика аварийного режима, подключенным к одному из трех входов блока управления; четвертый вход блока управления соединен с сигнальным выходом трехфазного выключателя, а пятый - с выходом датчика трехфазного напряжения; входы датчика трехфазного напряжения подключены к фазам высоковольтного источника питания электроустановки; при этом каждое управляемое коммутирующее устройство выполнено в виде полюса трехфазного выключателя, не имеющего электрических и механических связей с другими полюсами.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
- на фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства для защиты трехфазной электроустановки от неполнофазного режима, выполненная применительно к силовому трансформатору дуговой сталеплавильной печи;
- на фиг. 2 изображена вольт-амперная характеристика трансформатора тока нулевой последовательности с быстронасыщающимся магнитопроводом;
- на фиг. 3 представлена блок-схема алгоритма, реализованного в блоке управления выключателем.
Заявляемое устройство (фиг. 1) для защиты трехфазной электроустановки 1 от неполнофазного режима, содержит трехфазный выключатель 2, состоящий из трех управляемых коммутирующих устройств 3, 4, 5, включенных в фазы электроустановки, блок управления 6 выключателем 2. Выходы блока управления 6 соединены с управляющими входами коммутирующих устройств 3, 4, 5, а первый, второй и третий входы соединены с выходами датчиков аварийного режима 7, 8, 9.
Отличительной особенностью заявляемого устройства является то, что каждый из датчиков аварийного режима 7, 8 и 9 снабжен трансформатором тока 10. Первичная обмотка трансформатора тока 10 включена в фазу электроустановки 1 после трехфазного выключателя 2, а вторичная обмотка подключена параллельно первичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности 11, вторичная обмотка которого соединена с входом диодного выпрямителя 12. К выходу последнего параллельно подключены нагрузочный резистор 13 и R-C фильтр низких частот 14, состоящий из резистора 15 и конденсатора 16. Выход фильтра 14 подключен к параметрическому стабилизатору напряжения 17, состоящему из балластного резистора 18 и стабилитрона 19, выводы которого являются выходом одного из датчиков аварийного режима 7, 8 и 9.
При этом каждое управляемое коммутирующее устройство 3, 4, 5 трехфазного выключателя 2 выполнено в виде полюса, не имеющего электрических и механических связей с другими полюсами. Выключатель 2 имеет сигнальный выход и три управляющих входа, которые соединены с выходами блока управления 6. Четвертый вход блока управления 6 соединен с сигнальным выходом трехфазного выключателя 2, а пятый вход - с выходом датчика трехфазного напряжения 20, входы которого подключены к высоковольтному источнику питания 21 трехфазной электроустановки.
При этом трехфазная электроустановка 1 представляет собой дуговую сталеплавильную печь 22, которая подключена к вторичной обмотке силового трансформатора 23.
В заявляемом техническом решении в качестве трехфазного выключателя 2, состоящего из независимых управляемых коммутирующих устройств 3, 4 и 5, может быть применен серийно выпускаемый элегазовый выключатель, имеющий требуемые технические характеристики (см., например, «Элегазовые выключатели 110 кВ, 220 кВ» - https://www.asutpp.ru/avtomatizaciya-proizvodstva/elegazovye-vyklyuchateli.html).
В качестве датчиков тока могут использоваться серийно выпускаемые трансформаторы тока 10, рассчитанные на номинальный ток фазы первичной обмотки трансформатора (см., например, «Трансформаторы масляные ТОМ-110» - http://www.cztt.ru/userFiles/Catalog_2018/TOM-110.pdf).
В качестве трансформаторов тока нулевой последовательности 11 могут быть применены серийно выпускаемые торы нулевой последовательности марки CSH, отличающиеся внутренним диаметром (см., например, «Торы нулевой последовательности CSH120, CSH200, GO110» - SEPAM, SEPAM 1000+ серии 10. Каталог оборудования Schneider Electric - http://www.schneider-spb.ru/SEPAM-1000-10-tory.pdf). Каждый из них представляет собой трансформатор с быстронасыщающимся магнитопроводом и имеет воль-амперную характеристику, аналогичную представленной на фиг. 2. Эти устройства выполняют функции первичных преобразователей тока холостого хода силового трансформатора 23 в напряжение, удобное для дальнейшей обработки.
Блок управления 6 трехфазным выключателем может быть выполнен на базе промышленного контроллера, при этом повышенных требований к нему не предъявляется.
Отличительными признаками заявляемого технического решения являются:
- дополнительное включение трансформатора тока нулевой последовательности;
- формирование вольт-амперной характеристики согласно фиг. 2, обеспечивающей насыщение в диапазоне низких значений тока («быстрое» насыщение магнитопровода);
- выполнение управляемого коммутирующего устройства в виде трехфазного (преимущественно элегазового) выключателя, содержащего три полюса с дугогасительными камерами, не имеющих электрической и механической связи;
- исполнение датчика аварийного режима в виде блока, содержащего трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в фазу электроустановки, а вторичная обмотка подключена параллельно первичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности, вторичная обмотка которого соединена с входом диодного выпрямителя, к выходу которого параллельно подключены нагрузочный резистор и R-C фильтр низких частот, состоящий из резистора и конденсатора, выход фильтра низких частот подключен к параметрическому стабилизатору напряжения, состоящему из балластного резистора и стабилитрона.
В заявляемом устройстве применение предлагаемого датчика аварийного режима на основе трансформаторов тока нулевой последовательности с быстронасыщающимся магнитопроводом обеспечивает повышение достоверности идентификации неполнофазного режима работы трехфазной электроустановки.
Выполнение управляемого коммутирующего устройства в виде трехфазного элегазового выключателя позволяет исключить коммутирующие устройства на встречно-параллельных тиристорах (см. прототип), которые требуют специальной разработки.
Использование предложенного датчика аварийного режима позволяет исключить из устройства датчик с ферромагнитным сердечником и встроенными герконами, который требует индивидуального проектирования и изготовления с использованием специальных электротехнических материалов.
Возможность технического исполнения заявляемого устройства на базе серийно выпускаемых узлов и элементов повышает надежность, ремонтопригодность и долговечность устройства.
В целом, благодаря совокупности отличительных признаков, обеспечивается повышение достоверности идентификации неполнофазного режима, а также надежности работы трехфазной электроустановки за счет применения серийно изготавливаемых измерительных и коммутирующих устройств.
Работа устройства для защиты трехфазной электроустановки от неполнофазного режима рассматривается на примере работы блока 7 аварийного режима, включенного в фазу А по схеме, представленной на фиг. 1.
Устройство работает следующим образом.
При замыкании трехфазного выключателя 2 на трансформатор 23 подается напряжение высоковольтного источника питания 21. При отсутствии нагрузки через первичную обмотку трансформатора тока 10 проходит ток холостого хода. Для большинства высоковольтных трансформаторов его величина не превышает 1 А. При коэффициенте трансформации рекомендуемых трансформаторов ТОМ-110, равном 60, ток на выходе трансформатора тока 10 равен 17 мА. Следует отметить, что ни одна из известных защит не может достоверно контролировать такой маленький ток.
При работе под нагрузкой ток вторичной обмотки трансформатора тока 10 изменяется в диапазоне от 50 до 100 мА в зависимости от нагрузки. Сигнал, пропорциональный этому току, поступает на первичную обмотку трансформатора тока 11 нулевой последовательности. Этот трансформатор имеет вольт-амперную характеристику, показанную на фиг. 2. Он выполнен на основе тора нулевой последовательности, например, CSH-120 и содержит дополнительную первичную обмотку для достижения оптимального напряжения на вторичной обмотке при работе трансформатора в режиме холостого хода. Данный трансформатор выполняет функции первичного преобразователя тока холостого хода фазы А трансформатора 23 в напряжение, уровень которого приемлем для дальнейшей обработки. Далее полученное напряжение поступает на вход диодного выпрямительного моста 12.
Как видно из вольт-амперной характеристики на фиг. 2, зона насыщения трансформатора тока 11 нулевой последовательности находится в диапазоне токов выше 60 мА. При этом напряжение вторичной обмотки достигает уровня 7,5 В, удобного для дальнейшей обработки. Таким образом, насыщение происходит при малых токах, что позволяет контролировать ток холостого хода в фазе А трансформатора 23 в режиме реального времени и идентифицировать его отличие от неполнофазного режима, когда ток в фазе А равен нулю.
Для уменьшения времени затухания напряжения после отключения нагрузки установлен нагрузочный резистор 13; для фильтрации выпрямленного напряжения в устройство дополнительно введен фильтр 14, состоящий из резистора 15 и конденсатора 16, соединенных по схеме пассивного R-C фильтра низких частот. Параметрический стабилизатор напряжения 17, состоящий из балластного резистора 18 и стабилитрона 19, обеспечивает постоянство сигнала, поступающего на вход блока управления 6, при изменениях тока нагрузки, а также защиту от перенапряжений. Последняя функция связана с тем, что при больших токах нагрузки может возникнуть недопустимый ток намагничивания трансформатора, что вызывает перегрузки и может привести к короткому замыканию.
Работа датчиков аварийного режима 8 и 9, включенных в фазы В и С первичной обмотки трансформатора 23, аналогична работе рассмотренного датчика 7.
В нормальном режиме, когда все три управляемых коммутирующих устройства 3, 4 и 5 трехфазного выключателя 2 включены, токи холостого хода в фазах А, В, С трансформатора 23 одинаковы. При применении в устройстве рекомендованных выше датчиков датчиков аварийного режима 7,8,9, снабженных трансформаторами тока 10и трансформаторов тока нулевой последовательности 11 и реализации характеристики, представленной на фиг. 2, указанному выше току холостого хода 1 А (17 мА на вторичных обмотках трансформаторов тока 10) будет соответствовать напряжение не менее 2,5 В на вторичных обмотках трансформаторов 11 тока нулевой последовательности.
В неполнофазном режиме ток в отключенной фазе протекать не будет, поэтому выходной сигнал соответствующего датчика аварийного режима будет равен нулю. Это позволит идентифицировать различие между режимом холостого хода и аварийным неполнофазным режимом с высокой точностью.
В блоке управления 6 (фиг. 1) выключателем 2 по значениям сигналов с датчиков аварийного режима 7, 8 и 9, по значению сигнала от датчика трехфазного напряжения 20 и по значению сигнала о включении трехфазного выключателя 2 реализован алгоритм, блок-схема которого представлена на фиг. 3. Алгоритм поясняет логику управления защитой от неполнофазного режима трехфазной электроустановки. Структура алгоритма управления коммутирующим устройством 3 (фиг. 1), включенным в фазу А, раскрыта в блоке 24 (фиг. 3). Блоки 25 и 26 имеют аналогичные структуры.
В алгоритме предусмотрена следующая последовательность действий.
1. Блок 27 контролирует рабочий режим электроустановки 1 (фиг. 1) по наличию поданного на нее напряжения, блок 28 контролирует включение трехфазного выключателя 2. Блок 29 осуществляет контроль сигнала, пропорционального току холостого хода фазы А.
t
t
1
2
2. При аварийном отключении фазы А напряжение на выходе датчика аварийного режима 7 (фиг. 1) становится ниже значения, соответствующего току холостого хода (ниже 2 В). По сигналу от блока 29 запускаются таймеры 30, 31, запрограммированные на отсчет времени пауз =0,2 с и =1 с. Они осуществляют контроль продолжительности отсутствия тока в фазе А.
t
t
1
2
3. При продолжительности, превышающей время паузы , выводится аварийное предупреждение на пост управления электроустановки (блок 32). При невосстановлении напряжения в течение паузы , блок 33 выдает сигнал на отключение трехфазного выключателя 2.
4. При восстановлении уровня напряжения на выходе датчика аварийного режима 7 (выше 2 В) в пределах установленных пауз происходит обнуление выходных сигналов таймеров 30, 31. Устройство переходит в рабочий режим контроля тока холостого хода нулевой последовательности.
Управление коммутацией трехфазного выключателя 2 (фиг. 1) при отсутствии токов в фазах В либо С осуществляется по аналогичным алгоритмам, реализованным в блоках 25, 26 на фиг. 3.
Благодаря рассмотренному алгоритму блок управления 6 выключателем 2 отслеживает процесс коммутации по уровням токов холостого хода всех трех фаз и при возникновении аварийной ситуации запускает алгоритм на отключение выключателя 2. Данный вид контроля является наиболее эффективным по сравнению с контролем напряжения и другими известными способами идентификации невключения фазы. За счет этого обеспечивается надежная защита силового трансформатора 23 электроустановки 1 от неполнофазного режима работы.
Таким образом, заявляемое устройство для защиты трехфазной электроустановки, преимущественно силового трансформатора дуговой сталеплавильной печи, повышает надежность ее работы путем повышения достоверности определения неполнофазного режима коммутации трехфазного выключателя. Благодаря применению трансформатора тока нулевой последовательности с быстронасыщающимся магнитопроводом повышается точность идентификации режима невключения фазы электроустановки.
Исполнение заявляемого устройства на базе серийно изготавливаемых измерительных и коммутирующих устройств также повышает надежность работы устройства для защиты трехфазной электроустановки.