Патент на изобретение №2353015

(54) СИСТЕМА ЗАЩИТЫ РАЗВЕТВЛЕННЫХ ТРЕХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ ОТ ТОКОВ УДАЛЕННЫХ КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ

(57) Реферат:

Изобретение относится к системам защиты электрических цепей с длинными линиями от удаленных коротких замыканий (КЗ) при наличии в таких цепях мощных электродвигателей. Технический результат – повышение надежности защиты длинной линии от удаленных КЗ и бесперебойности питания цепи при запуске электродвигателей, причем без снижения показателя пожаробезопасности и повышения стоимости системы защиты. Система защиты разветвленных трехфазных электрических цепей содержит аппарат защиты, например выключатель с датчиками тока и с полупроводниковым расцепителем, в котором имеется устройство для сравнения протекающего через аппарат тока с величиной токовой уставки по току короткого замыкания I_sd и выполненным с возможностью установки нижнего уровня уставок I_sd в пределах (1,5÷3) от рабочего тока аппарата I_r. К отводящим зажимам аппарата защиты подключена длинная магистральная электрическая линия, к которой по всей ее длине подсоединены фидерные линии с разными видами нагрузок, в том числе и с электродвигателями, при этом величина тока короткого замыкания в конце магистральной линии I_кз равна или меньше значения пускового тока электродвигателя I_пд, подсоединенного к магистральной линии в ее начале или в середине, но больше или равна значению тока уставки I_sd-(I_пдI_кзI_sd). Расцепитель аппарата защиты дополнительно содержит узел контроля суммы квадратов токов всех трех фаз {Si²(t)} и сравнения соотношения максимального значения указанной суммы квадратов токов {S_maxi²(t)} к его минимальному значению {S_mini²(t)} в первый период возникновения тока большего уставки I_sd, а также логический узел, который при условии, если указанное соотношение, выраженное коэффициентом K_s={S_maxi²(t)}/{ S_mini²(t)}, равно или больше 1,4 (K_s1,4), автоматически увеличивает значение тока уставки I_sd до значения I_sd1, равного (1,1÷1,5) величины пускового тока I_пд электродвигателя – I_sd{I_sd1=(1,1÷1,5)I_пд}. 8 ил.

Изобретение относится к системам защиты выключателями трехфазных разветвленных электрических цепей от токов короткого замыкания, в частности электрических цепей с длинными линиями и подключенными к этим линиям достаточно мощными электродвигателями, пусковой ток которых может оказаться больше тока короткого замыкания (КЗ) в конце длинной линии.

Известны системы защиты разветвленных электрических цепей с длинными линиями, в частности системы защиты электрических цепей Облэнерго (сельскохозяйственных объектов) [1] на базе автоматических выключателей, в которых к отводящим зажимам вводного выключателя комплектного трансформаторного пункта (КТП) подключена длинная магистральная воздушная линия, в разных частях которой по ее длине подключены фидерные линии, нагрузками которых являются электродвигатели достаточной мощности (крупорушки, насосы и т.п.).

В связи с тем, что воздушные линии в основном выполняются стальными проводами (с большим удельным сопротивлением) и имеют большую протяженность, значения тока КЗ в конце такой линии получаются сравнительно небольшими. В результате в указанных системах защиты величина тока КЗ в конце длинной линии (I_кз) зачастую оказывается близкой к значению рабочего тока защитного аппарата (I_r).

Поэтому для надежной защиты цепей от токов удаленных КЗ значения соответствующих токовых уставок расцепителей (I_sd) выбирают достаточно малыми, равными (1,5÷3)I_r. Однако если в начале магистральной линии подключен фидер с достаточно мощным электродвигателем, величина его пускового тока (I_пд) в начале процесса запуска оказывается больше значения токовой уставки расцепителя (I_sd).

В случае, если разветвленная электрическая цепь имеет систему резервирования питания, то в момент переключения в цепи возникают еще большие, чем I_пд, токи одновременного самозапуска всех электродвигателей I_сз.

Таким образом, в рассмотренных системах защиты разветвленных электрических цепей с длинными линями для обеспечения надежности защиты таких цепей от токов удаленных КЗ приходится реализовывать следующие технические решения:

1. Увеличивать сечение проводов длинной линии с тем, чтобы повысить ток КЗ в конце этой линии.

2. Увеличивать выдержку времени срабатывания аппарата защиты (селективного выключателя) до максимально возможного значения (0,4÷0,5)с для того, чтобы величина пускового тока или тока самозапуска за это время успела бы достаточно снизиться. Таким способом производится определенная «отстройка» защиты от пусковых токов и токов самозапуска электродвигателей.

Указанные технические решения, используемые в системах защиты разветвленных электрических цепей с длинными линиям, не являются оптимальными как с экономической, так и с технической точек зрения.

Действительно, увеличение сечения проводов повышает стоимость линии, а с увеличением выдержки времени при отключении снижается термическая устойчивость линии, особенно при возникновении КЗ в начале линии, что снижает показатель пожаробезопасности защищаемых электрических цепей.

В основу изобретения поставлена задача построения такой системы защиты разветвленных трехфазных электрических цепей от токов удаленных коротких замыканий, в которой путем анализа мгновенных значений тока во всех фазах цепи, а именно суммы квадратов указанных выше мгновенных значений токов в трех полюсах, обеспечивается быстрое (в течение одного периода изменения тока) распознавание случаев возникновения в цепи пусковых токов или токов самозапуска электродвигателей, в результате чего повышается надежность защиты длинных цепей от удаленных КЗ и обеспечивается возможность нормального запуска электродвигателей, а также снижается пожароопасность и стоимость защищаемых цепей.

Эта задача решается в системе защиты разветвленных трехфазных электрических цепей от токов удаленных коротких замыканий, содержащей аппарат защиты с датчиками тока и с полупроводниковым расцепителем, который имеет устройство для сравнения протекающего через аппарат тока с величиной токовой уставки по току короткого замыкания I_sd и выполненным с возможностью установки нижнего уровня уставок I_sd в пределах (1,5÷3) от рабочего тока аппарата I_r, подключенную к отводящим зажимам аппарата защиты длинную магистральную электрическую линию, к которой по всей ее длине подсоединены фидерные линии с разными видами нагрузок, в том числе и с электродвигателями, при этом величина тока короткого замыкания в конце магистральной линии I_кз равна или меньше значения пускового тока электродвигателя I_пд, подсоединенного к магистральной линии в ее начале или в середине, но больше или равна значению тока уставки I_sd-(I_пдI_кзI_sd), за счет того, что расцепитель аппарата защиты дополнительно содержит узел контроля суммы квадратов токов всех трех фаз {Si²(t)} и сравнения соотношения максимального значения указанной суммы квадратов токов {S_maxi²(t)} к его минимальному значению {S_mini²(t)} в первый период возникновения тока большего уставки I_sd, а также логический узел, который при условии, если указанное соотношение, выраженное коэффициентом K_s={S_maxi²(t)}/{S_mini²(t)}, равно или больше 1,4 (K_s1,4), автоматически увеличивает значение тока уставки I_sd до значения I_sd1, равного (1,1÷1,5) величины пускового тока I_пд электродвигателя – I_sd{I_sd1=(1,1÷1,5)I_пд}.

Именно за счет того, что расцепитель аппарата защиты дополнительно содержит узел контроля суммы квадратов токов всех трех фаз {Si²(t)} и сравнения соотношения максимального значения указанной суммы квадратов токов {S_maxi²(t)} к его минимальному значению {S_mini²(t)} в первый период возникновения тока большего уставки I_sd, а также логический узел, который при условии, если указанное соотношение, выраженное коэффициентом K_s={S_maxi²(t)}/{S_mini²(t)}, равно или больше 1,4 (K_s1,4), автоматически увеличивает значение тока уставки I_sd до значения I_sd1, равного (1,1÷1,5) величины пускового тока I_пд электродвигателя – I_sd{I_sd1=(1,1÷1,5)I_пд}, обеспечивается как надежность защиты длинной линии от удаленных КЗ, так и возможность нормального запуска электродвигателей.

В случае, если в защищаемой цепи возможно возникновение как пусковых токов, так и токов самозапуска, расцепитель аппарата защиты дополнительно содержит узел памяти, который контролирует наличие или отсутствие в предыдущие 20÷40 мс момента возникновения в цепи тока, равного величине уставки I_sd, тока «предыстории» I_р, а также логический узел, который в случае, если значение коэффициента K_s={S_maxi²(t)}/{S_mini²(t)} равно или больше 1,4 (K_s1,4), а значение тока «предыстории» I_р равно нулю, автоматически увеличивает значение тока уставки I_sd до значения I_sd2, равного (1,1÷1,5) величины тока самозапуска I_сз всех подключенных к цепи электродвигателей – I_sd{I_sd2=(1,5÷1,5)I_сз}.

Действительно, как показывает анализ особенностей зависимости суммы квадратов значений токов трех фаз в функции времени – (S_maxi²(t)} (основные результаты такого анализа будут приведены ниже), именно значение соотношения максимального и минимального значения указанной зависимости S_maxi²(t) позволяет распознать случаи пуска электродвигателя или одновременного самозапуска нескольких электродвигателей от случая возникновения удаленного КЗ и выбрать необходимую для каждого из указанных случаев токовую уставку (I_sd1 или I_sd2).

Физическая суть распознавания случаев возникновения пусковых токов и токов удаленных КЗ заключается в том, что значение индуктивности цепи, а следовательно, и значение cos для указанных выше случаев, существенно отличаются друг от друга. Так, в случае запуска электродвигателей величина cos цепи находится в пределах 0,2÷0,3, а в случае КЗ на кабельных и воздушных линиях значения cos находятся, как правило, в диапазоне (0,65÷0,8), где меньшая величина cos (0,65) относится к воздушным линиям со стальными проводами.

Таким образом, с помощью анализа величины cos цепи (или угла сдвига между током и напряжением в каждой фазе) действительно можно произвести распознавание случаев запуска двигателей и удаленного КЗ на линии. Однако реализация такого технического решения применительно к электронным расцепителям выключателей затруднена, а ряде случаев просто невозможна в силу следующих причин:

– Во-первых, это причины конструктивного и экономического характера. Действительно, на вход расцепителя, кроме сигналов от датчиков тока в каждой фазе, при данном техническом решении следует дополнительно подавать и все три фазные напряжения, а в самих расцепителях иметь соответствующие каналы измерения и обработки таких дополнительных входных параметров. Все это приводит к значительному увеличению габаритов расцепителей, их стоимости, что чаще всего неприемлемо для наиболее массовых малогабаритных выключателей в пластмассовых корпусах.

– Во-вторых, это причины технического и функционального характера. Известно, что из-за наличия переходного процесса в первый момент после возникновения пускового или аварийного тока, в течение нескольких периодов изменения тока существует апериодическая составляющая тока электрической цепи. Наличие такой апериодической составляющей тока приводит к существенной погрешности при определении величины cos, если такое определение осуществляется достаточно быстро, например в первый период изменения тока. Поэтому рассматриваемое техническое решение может быть использовано только в том случае, если не требуется быстродействия защиты и поэтому значение величины cos можно определять после затухания апериодической составляющей тока, а именно спустя 2-3 периода после возникновения броска тока в цепи.

С учетом указанных выше соображений реализация системы защиты от удаленных КЗ путем непосредственного измерения значения угла сдвига между напряжением и током или величины cos имеет недостатки, не позволяющие использовать такое техническое решение для систем защиты, в которых в качестве аппаратов защиты использованы малогабаритные выключатели в пластмассовых корпусах. Тем более, если электронные расцепители таких выключателей имеют интегральные уставки для реализации быстродействующей «интегральной» селективной защиты [2]. В последнем случае управляющий сигнал на срабатывание расцепителя должен вырабатываться в течение первого периода тока (до 20 мс).

Таким образом, для реализации системы защиты от удаленных КЗ на базе малогабаритных выключателей, которые к тому же обеспечивают быстродействующую селективную защиту цепей, определение значения индуктивности цепи должно производиться на основании анализа только протекающих через аппарат токов (без напряжений), при этом указанный анализ должен производиться достаточно быстро – в течение первого полупериода изменения тока (тока КЗ или пускового тока).

Такое быстрое определение cos защищаемой цепи с помощью только датчиков тока может быть произведено на основании анализа параметров переходного процесса токов в фазах.

Как известно, текущее мгновенное значение тока (фиксируемое датчиком тока) в рассматриваемой фазе, с учетом апериодической составляющей тока КЗ определяется следующим выражением:

где I_m=2I_эфф – амплитудное значение симметричной составляющей; I_эфф – эффективное значение симметричной составляющей тока, – угол сдвига фаз, на который периодическая составляющая тока отстает от фазной ЭДС; =arctg(L/r); – угол ЭДС в фазе, соответствующий началу процесса (КЗ или запуска); Т – электромагнитная постоянная времени цепи T=L/r=tg/.

Из выражения (1) по мгновенным значениям тока в одной фазе i невозможно определить величину cos, так как в правой части выражения две неизвестные величины – искомая величина угла и случайная величина- момент возникновения пускового тока, который характеризуется углом – .

Однако если анализировать зависимость изменения суммы квадратов мгновенных значений токов всех трех фаз во времени S{i²(t)}, то такой анализ, как это будет показано ниже, позволяет определить величину cos. Следует отметить, что зависимость S{i²(t)} условно может быть названа «силовой» характеристикой цепи, т.к. она характеризует электродинамические силы, которые приходится преодолевать аппарату защиты при протекании через него тока. Указанные силы пропорциональны квадрату мгновенного значения тока i² в каждой фазе, поэтому зависимость суммы квадратов токов во времени для всех фаз цепи S{i²(t)} и является силовой характеристикой цепи.

«Силовая» характеристика цепи S{i²(t)} в общем виде может быть представлена как:

где i_л(t), i_c(t) и i_п(t) – известные функции изменения тока во времени в левой, средней и правой фазах цепи. Выражение для S{i²(t)} можно записать следующим образом:

С учетом, что I_эфф=I_m/2, выражение для S{i²(t)} примет вид:

Как следует из выражения (4), мгновенное значение суммы квадратов токов всех трех фаз уже не зависит от случайной величины – начальной фазы возникновения пускового тока или тока КЗ. Величина «силовой» характеристики цепи при заданном значении тока I_эфф зависит только от электромагнитной постоянной цепи Т (или от величины cos).

Рассмотренная особенность «силовой» характеристики цепи S{i²(t)} и положена в основу построения системы защиты разветвленных электрических цепей от токов удаленных КЗ с отстройкой от пусковых токов и токов самозапуска мощных электродвигателей путем анализа характера «силовой» характеристики цепи.

Сущность изобретения представлена на фиг.1-8.

На фиг.1 приведена принципиальная схема системы защиты разветвленной цепи от токов удаленных КЗ при наличии в ней мощных электродвигателей.

На фиг.2 приведены зависимости «силовой» характеристики цепи в функции времени S{i²(t)} для разных значений cos.

На фиг.3 приведена зависимость коэффициента Ks=S_max{i²(t)}/S_min{i²(t)} в функции величины cos.

На фиг.4 показана система защиты цепей и характер изменения «силовой» характеристики цепи S{i²(t)} при возникновении КЗ в конце магистральной линии.

На фиг.5 показана система защиты и характер изменения «силовой» характеристики цепи S{i²(t)} при пуске мощного двигателя в начале магистральной линии.

На фиг.6 приведен алгоритм реализации микропроцессорным расцепителем выключателя функции «остройки» от пускового тока путем автоматического увеличения уставки I_sd до величины I_sd1 на основе анализа значения коэффициента Ks=S_max{i²(t)}/S_min{i²(t)}.

На фиг.7 показана система защиты и характер изменения «силовой» характеристики цепи S{i²(t)} при самозапуске нескольких электродвигателей после переключения цепи на резервное питание.

На фиг.8 приведен алгоритм реализации микропроцессорным расцепителем выключателя функции «остройки» от токов самозапуска путем автоматического увеличения уставки I_sd до величины I_sd2 на основе анализа значения коэффициента Ks=S_max{i²(t)}/S_min{i²(t)} и с учетом тока предыстории I_р.

Прежде чем рассмотреть работу заявляемой системы защит, укажем на особенности «силовой» функции цепи, которые и положены в основу принципа «отстройки» от пусковых токов при реализации защиты от удаленных КЗ.

Заявляемая система защиты (фиг.1) включает в себя основной источник тока 1 (силовой трансформатор), разъединитель 2, с помощью которого питание от трансформатора 1 подается на распределительный шинопровод 3, отводящие магистральные шинопроводы 4 и 5. К магистральному шинопроводу 5 подключен магистральный выключатель 6 (ВА1) с микропроцессорным расцепителем 7. К отводящим зажимам выключателя 6 подключена длинная воздушная (или кабельная) линия 8, к которой по всей ее длине, вплоть до конца длинной линии 9 подключены отводящие фидерные линии 10, 11 и 14. Фидерная линия 11 включает в себя фидерный выключатель 12 (ВА2) и подключенный к его отводящим зажимам электродвигатель 13. Фидерная линия 14 включает в себя фидерный выключатель 15 (ВАЗ) и подключенный к его отводящим зажимам электродвигатель 16.

Кроме основного источника 1 система защиты имеет и резервный источник тока 17 и разъединитель 18 для подключения резервного источника к распределительному шинопроводу 3.

На фиг.2 приведены зависимости «силовой» функции цепи S{i²(t)} для разных значений cos. Из приведенных зависимостей видно, что максимальное значение «силовой» функции S_max{i²(t)) и ее минимальное значение S_min{i²(t) достаточно существенно отличаются при разных значениях cos цепи. Это значит, что по их значениям, а лучше всего по их соотношению можно достаточно точно и быстро определить величину cos цепи.

На фиг.3 приведена зависимость коэффициента Ks, определяющего отношение максимального значения силовой функции к ее минимальному значению Ks=S_max{i²(t)}/S_min{i²(t)}, от величины cos. Если считать, что при пуске электродвигателя величина cos=0,7, а при удаленном КЗ на линии величина cos=0,3, то значение Ks для цепи с величиной cos=0,5 может быть принято критерием распознавания пуска двигателя или удаленного КЗ (если Ks1,4, то имеет место пуск электродвигателя, если Ks1,4, то имеет место удаленное КЗ).

С учетом выбранного критерия распознавания удаленного КЗ или пускового тока рассмотрим работу системы защиты при разных режимах ее работы.

Система защиты работает следующим образом.

Пусть в системе защиты, питаемой от основного источника тока 1 (фиг.4), произошло включение выключателя 6 и на линию 8 подано напряжение от источника тока. При этом все фидерные линии 10 и 11 к линии 8 остаются неподключенными (их фидерные выключатели отключены).

Положение коммутационной аппаратуры, соответствующее указанному выше состоянию системы защиты, показано на левой стороне фиг.4. Пусть в момент включения выключателя 6 (или спустя некоторое время после его включения) возникло КЗ в конце длинной линии 8 (точка 9). При этом величина тока удаленного КЗ (I_кз) равна значению тока у ставки I_sd расцепителя 7 магистрального выключателя 6. Так как при удаленном КЗ на линии значение cos равно 0,7, то характер изменения «силовой» характеристики цепи S{i²(t)} будет иметь характер, показанный на фиг.4, а значение коэффициента Ks, характеризующего соотношение максимального значения «силовой» функции S_max{i²(t)} к минимальному значению S_min{i²(t), будет равно 1,2. Так как значение коэффициента Ks оказывается меньше 1,4, то автоматического увеличения значения тока уставки со значения I_sd до I_sd1 не происходит, а это значит, что под действием расцепителя 7 выключатель 6 отключит цепь. Коммутационное положение аппаратов системы защиты после возникновения удаленного КЗ (и его отключения) показано в правой части фиг.4.

Пусть в системе защиты (фиг.5) выключатель 6 включен и на линию 8 подано напряжение от источника тока. При этом все фидерные линии 10 и 11 остаются неподключенными к линии 8, их фидерные выключатели находятся в положении «отключено».

Положение коммутационной аппаратуры, соответствующее указанному выше состоянию системы защиты, показано на левой стороне фиг.5. Пусть теперь включается фидерный выключатель 12 и начинается процесс пуска электродвигателя 13. При этом значение пускового тока I_пд в начальный момент оказывается больше значения тока уставки I_sd расцепителя 7 выключателя 6.

Так как при пуске электродвигателя значение cos цепи равно 0,3, то характер изменения «силовой» характеристики цепи S{i²(t)} будет иметь характер, показанный на фиг.5, а значение коэффициента Ks, характеризующего соотношение максимального значения «силовой» функции S_maxi²(t) к минимальному значению S_mini²(t), будет равно 2,7. Так как значение коэффициента Ks оказывается больше 1,4, то происходит автоматическое увеличение тока уставки от значения I_sd до величины I_sd1. В связи с тем, что значение токовой уставки I_sd1 больше величины пускового тока I_пд, то выключатель 6 не отключится, запуск электродвигателя 13 произойдет успешно и будет обеспечена бесперебойность питания всех фидеров.

Коммутационное положение магистрального и фидерных выключателей системы защиты в процессе запуска электродвигателя и после его запуска показано в правой части фиг.5.

В рассмотренных выше случаях работы системы защиты при возникновения КЗ в конце линии (точка 9) или пуска электродвигателя 13, подключенного в начале линии, все фидерные линии 10 оставались неподключенными к линии 8. Это значит, что через выключатель 6 не протекал ток предыстории I_р, т.е. ток, обусловленный нагрузками остальных фидеров 10.

При протекании через выключатель 6 тока предыстории I_р значения коэффициента Ks будут отличаться от тех, которые были указаны выше для случая без учета тока предыстории (Ks=1,2 и 2,7). При этом возможны случаи, когда различие в величине Ks при запуске электродвигателя и удаленном КЗ будет не таким значительным, а значит селекция указанных случаев будет менее надежной.

Для правильного анализа и последующей «отстройки» именно пусковых токов (или токов самозапуска) необходимо из хаотической картины общего полного тока в цепи вычленить только указанные выше токи, обусловленные пуском двигателей.

Поэтому для обеспечения надежности системы защиты значение коэффициента Ks необходимо определять только для случаев трехфазных возмущающих токов и с учетом величины тока предыстории I_р. Для этого при определении величины коэффициента Ks под значениями токов в фазах i(t) следует принимать не абсолютные значения токов в фазах, а их превышение i(t) над токами предыстории i_p(t). С учетом этого значение квадрата тока превышения в фазе i²(t) при определении коэффициента Ks определяется как разница текущих значений тока, зафиксированных во второй – i₂²(t) и в первый -i₁²(t) периоды изменения тока – i²(t)=i₂²(t)-i₁²(t). При этом значение тока в первый период i₁²(t) в данном случае и является током предыстории i_p(t). При проведении анализа значения Ks для исключения случаев возникновения двухфазных или однофазных токов превышения проверяется трехфазность и симметричность цепи (мощные электродвигатели всегда трехфазные). Для такой проверки, например, может устанавливаться следующее ограничительное условие: действующие значения тока превышения в каждой из трех фаз за первый полупериод Iф должны быть не меньше 0,8 среднего значения суммы указанных токов во всех трех полюсах (I_ф0,8I_ф).

Могут быть использованы и другие известные способы идентификации трехфазного тока в цепи.

Реализация указанного алгоритма определения действующего значения тока и мгновенных значений превышения тока i²(t) в сравнении с током предыстории i_p(t), а также с идентификацией трехфазного тока в цепи не представляет сложности при использовании в расцепителях микропроцессорной элементной базы.

С учетом вышеизложенного на фиг.6 приведен соответствующий алгоритм реализации микропроцессорным расцепителем выключателя функции защиты цепей от удаленных КЗ путем «отстройки» от пусковых токов электродвигателей, основанной на анализе значений коэффициента Ks.

Алгоритм работы микропроцессорного расцепителя предусматривает выполнение следующих операций и их последовательность:

1. Скользящее, с вытеснением предыдущих значений запоминание токов «предыстории» (i_рл; i_pc и i_рп) за предыдущий период (поз.1).

2. Скользящее, с вытеснением предыдущих значений определение действующих значений фазного тока (4) в каждом из полюсов выключателя (поз.2).

3. Определение тока превышения i и квадратов S(i²) в трех полюсах выключателя (поз.3).

4. Определение текущего значения коэффициента Ks (поз.4).

5. Проверка граничного условия наличия в цепи трехфазного тока – определение действующего значения тока превышения I_ф в каждой из фаз и сравнение их со средним значением токов всех трех фаз (поз.5).

6. Сравнение текущего значения Ks с его граничным значением (Ks=1,4) и при условии Ks>1,4 выработка управляющего сигнала на узел суммирования (поз.6).

7. Операция суммирования сигнала с узлов 5 и 6 и выработка управляющего сигнала по логической схеме «И» и «И» для увеличения токовой уставки (поз.7)

8. Формирование увеличенной токовой уставки I_sd1 (поз.8);

9. Сравнение значения тока в цепи I_ф со значением токовой уставки I_sd1 и при условии превышения им величины уставки выработка управляющего сигнала на узел формирования управляющего сигнала на исполнительный элемент расцепителя (поз.9).

10. Выработка (при необходимости) управляющего сигнала на срабатывание исполнительного элемента.

Случай возникновения токов самозапуска возможен при переводе питания цепи с основного источника 1 (фиг.1) на резервный 17 и включение разъединителя 18. Так как повторное включение магистрального шинопровода под напряжение происходит с определенной задержкой времени, происходит режим самозапуска электродвигателей Д₁ и Д₂.

С учетом указанных исходных условий состояние системы защиты после включения резервного питания будет таким, как это показано на фиг.7 слева.

Так как при самозапуске электродвигателей значение cos цепи равно 0,3, то характер изменения «силовой» характеристики цепи S{i²(t)} будет иметь характер, показанный на фиг.7, а значение коэффициента Ks, характеризующего соотношение максимального значения «силовой» характеристики S_maxi²(t) к минимальному значению S_mini²(t), будет равно 2,7. Так как значение коэффициента Ks оказывается больше 1,4, а ток предыстории I_р при самозапуске равен нулю, происходит автоматическое увеличение тока уставки от значения I_sd до величины I_sd2. В связи с тем, что значение токовой уставки I_sd2 больше величины тока самозапуска I_сз, то выключатель 6 не отключится, запуск электродвигателя 13 произойдет успешно и будет обеспечена бесперебойность питания всех фидеров.

Коммутационное положение магистрального В₁ и фидерных выключателей В₂ и В₃ системы защиты в процессе запуска электродвигателя и после его запуска показано в правой части фиг.7.

Алгоритм реализации микропроцессорным расцепителем выключателя функции защиты цепей от удаленных КЗ путем «отстройки» от токов самозапуска электродвигателей, основанной на анализе значений Ks, приведен на фиг.8:

1. Скользящее, с вытеснением предыдущих значений определение мгновенных значений тока в фазах (i_л; i_с и i_п) (поз.1).

2. Скользящее, с вытеснением предыдущих значений определение действующих значений фазного тока (I_ф) в каждом из полюсов выключателя (поз.2).

3. Определение суммы квадратов тока S(i²) в трех полюсах выключателя (поз.3).

4. Определение текущего значения коэффициента Ks (поз.4).

5. Проверка граничного условия: наличия в цепи тока предыстории I_р (поз.5) и выработка управляющего сигнала при I_р=0.

6. Сравнение текущего значения Ks с граничным его значением (1,4) и при условии K_s1,4 выработка управляющего сигнала на узел суммирования (поз.6);

7. Операция суммирования сигнала с узлов 5 и 6 и выработка управляющего сигнала по логической схеме «И» и «И» для увеличения токовой уставки (поз.7).

8. Формирование увеличенной токовой уставки I_sd2, (поз.8).

9. Сравнение значения тока в цепи I_ф со значением токовой уставки I_sd2 и при условии превышения им величины уставки выработка управляющего сигнала на узел формирования управляющего сигнала на исполнительный элемент расцепителя (поз.9).

10. Выработка (при необходимости) управляющего сигнала на срабатывание исполнительного элемента.

Таким образом, анализ мгновенных значений токов, протекающих через расцепитель выключателя, а именно суммы квадратов токов всех трех фаз S{i²(t)}, позволяет обеспечить защиту электрических цепей от удаленных КЗ, сохраняя при этом возможность нормального запуска электродвигателей даже в тех случаях, когда их пусковые токи I_пд или токи самозапуска I_сз больше тока удаленного КЗ.

В сравнении с ближайшим аналогом – системой защиты длинных линий, в которых для защиты от удаленных КЗ ограничиваются только выбором минимальной уставки срабатывания расцепителя выключателя и тем самым снижают вероятность бесперебойности питания в случае запуска мощных электродвигателей, заявляемая система обеспечивает как надежность защиты от удаленных КЗ, так и бесперебойность питания в случае запуска мощных электродвигателей.

Источники информации

1. Будзко И.А. и др. «Электроснабжение сельского хозяйства». – М.: Агропромиздат, 1990 г., с.190-196.

2. Патент РФ 2259623, Н02Н 7/00, Н01Н 73/00, заявл. 27.04.2004, опубл. 27.08.2005 (бюл. 24).

Формула изобретения

Система защиты разветвленных трехфазных электрических цепей от токов удаленных коротких замыканий, содержащая аппарат защиты с датчиками тока и с полупроводниковым расцепителем, имеющим устройство для сравнения протекающего через аппарат тока с величиной токовой уставки по току короткого замыкания I_sd и выполненным с возможностью установки нижнего уровня уставок I_sd в пределах 1,5-3 рабочего тока аппарата I_r, подключенную к отводящим зажимам аппарата защиты длинную магистральную электрическую линию, к которой по всей ее длине подсоединены фидерные линии с разными видами нагрузок, в том числе и с электродвигателями, при этом величина тока короткого замыкания в конце магистральной линии I_кз равна или меньше значения пускового тока электродвигателя I_пд, подсоединенного к магистральной линии в ее начале или в середине, но больше или равна значению тока уставки I_sd-(I_пдI_кзI_sd), отличающаяся тем, что расцепитель аппарата защиты дополнительно содержит узел контроля суммы квадратов токов всех трех фаз {Si²(t)} и сравнения соотношения максимального значения указанной суммы квадратов токов {S_maxi²(t)} к его минимальному значению {S_mini²(t)} в первый период возникновения тока большего уставки I_sd, а также логический узел, который при условии, если указанное соотношение, выраженное коэффициентом K_s={S_maxi²(t)}/{S_mini²(t)}, равно или больше 1,4 (K_s1,4), автоматически увеличивает значение тока уставки I_sd до значения L_sd1, равного 1,1÷1,5 величины пускового тока I_пд электродвигателя – I_sd{I_sd1=(1,l÷1,5)I_пд}

РИСУНКИ